En ny studie avslöjar en viktig upptäckt inom nanomaskiners rike inom levande system. Prof. Sason Shaik från Hebrew University of Jerusalem och Dr. Kshatresh Dutta Dubey från Shiv Nadar University, genomförde molekylär-dynamiksimuleringar av Cytochromes P450 (CYP450s) enzymer, vilket avslöjade att dessa enzymer uppvisar unika mjuka robotegenskaper.
Cytokromer P450 (CYP450s) är enzymer som finns i levande organismer och spelar en avgörande roll i olika biologiska processer, särskilt i metabolismen av läkemedel och främlingsfientliga läkemedel. Forskarnas simuleringar visade att CYP450 har en fjärde dimension – förmågan att känna av och reagera på stimuli, vilket gör dem till mjuka robotar till nanomaskiner i "levande materier."
I den katalytiska cykeln för dessa enzymer binder en molekyl som kallas ett substrat till enzymet. Detta leder till en process som kallas oxidation. Enzymets struktur har ett begränsat utrymme som gör att det kan fungera som en sensor och en mjuk robot.
Det interagerar med substratet genom att använda svaga interaktioner, som mjuka stötar. Dessa interaktioner överför energi, vilket gör att delar av enzymet och molekylerna inuti det rör sig. Denna rörelse genererar i slutändan en speciell substans som kallas oxojärnarter, som gör att enzymet kan oxidera en mängd olika ämnen.
Nyckeln från dessa simuleringar av molekylärdynamik är att den katalytiska cykeln för CYP450s är komplex men följer en logisk sekvens. Enzymets begränsade utrymme, strategiska restplaceringar och kanaler gör att det kan vara en känslig sensor av substratet, dess egna hemförändringar och konformationsförskjutningar i det aktiva stället. Denna avkännings-respons-förmåga skapar en mjuk robot med en fjärde dimension av avkänning, något som tidigare inte setts i vanlig 3D-materia.
"Vi har upptäckt att CYP450s fungerar som mjuka robotmaskiner i "levande materier", som uppvisar en anmärkningsvärd avkännings- och reaktionsförmåga. Detta är en spännande uppenbarelse, och vi tror att liknande mekanotransduktionsmekanismer för soft-impact signaler kan vara på jobbet i andra mjuka robotmaskiner i naturen", säger Prof. Sason Shaik, en av de ledande forskarna.
Fynden öppnar nya vägar inom mjukrobotforskning, eftersom 4D-material får betydelse, drivet av externa triggers. Dessa material, såsom hydrogeler som produceras genom 3D-utskrift, liknar enzymer i sin förmåga att känna av och framkalla förändringar. Implikationerna av denna upptäckt sträcker sig bortom biologin och kemin, vilket potentiellt revolutionerar områden som design av artificiell intelligens och självutvecklande polymerer/gelsyntes.
Dr. Kshatresh Dutta Dubey, medforskare i studien, tillade:"Vi går in i en spännande era för kemi, där mjuk robotik och intelligent design av nanomaskiner kan leda till oöverträffade framsteg. Framtiden kan bevittna skapandet av självutvecklande polymerer och eviga nanomaskiner som kan syntetisera nya molekyler efter behag."
Forskarna tror att integrationen av det mjuka robotspråket och maskinprogrammering kan påskynda framstegen i utvecklingen av 4D-material och frigöra den fulla potentialen hos mjukrobotik.
Uppsatsen är publicerad i tidskriften Trends in Chemistry .
Mer information: Sason Shaik et al, Nanomachines in living matters:the soft-robot cytochrome P450, Trends in Chemistry (2023). DOI:10.1016/j.trechm.2023.07.002
Journalinformation: Trender inom kemi
Tillhandahålls av Hebrew University of Jerusalem
