Poiché le vaccinazioni COVID-19 sono a buon punto, le persone aspettano un ritorno alla vita normale. Però, i timori crescono anche a causa di effetti collaterali imprevisti come la rara trombosi. Nel corpo, la vita è mantenuta dal movimento di sostanze o energia. Le reazioni chimiche sono regolate dalla presenza di organelli, o strutture centrali delle cellule, che ospitano enzimi o cofattori specifici. Un nanoreattore con sia l'attività di un catalizzatore sintetico, come un organello artificiale che imita una cellula, e le proprietà di un enzima, crea una piattaforma per la sintesi selettiva di molecole bioattive enantiomeriche naturali in grado di rispondere agli agenti patogeni nel corpo. Però, fino ad ora, non è stato riportato un nanoreattore con le funzioni sia di un catalizzatore sintetico che di un enzima per tale piattaforma.

A tal fine, un team di ricerca presso POSTECH ha recentemente sintetizzato una nanostruttura chemio-enzimatica in grado di sintetizzare selettivamente un enantiomero mentre agisce come un organello artificiale nella cellula.

Un gruppo di ricerca guidato dal professor In Su Lee, Professore di ricerca Amit Kumar, e dottorato di ricerca Il candidato Seonock Kim del Dipartimento di Chimica di POSTECH è riuscito a progettare una nanostruttura di silice (SiJAR) come organello artificiale per la sintesi selettiva di enantiomeri nelle cellule. Questo risultato della ricerca è stato selezionato come copertina di Angewandte Chemie , e pubblicato online il 21 giugno, 2021.

La prima considerazione nella progettazione di nanostrutture per applicazioni intracellulari è quella di co-localizzare e mantenere stabilmente la superficie reattiva dei nanocristalli catalitici proteggendo l'enzima dall'inattivazione. Fino ad ora, la catalisi di nanostrutture cave ispirate alla natura che ospitano nanocristalli catalitici o enzimi, o entrambi, è stato provato solo sperimentalmente e non è stato dimostrato negli organismi viventi. Questo perché le nanostrutture chiuse microporose limitano l'ingresso e la co-localizzazione di nanocristalli catalitici e biomolecole di grandi dimensioni.

Il team di ricerca ha sintetizzato SiJAR rotondi a forma di barattolo con coperchi in metallo-silicato chemio-sensibili modificando la composizione chimica di una sezione nel reattore utilizzando la chimica di conversione termica controllata dallo spazio-temporale. A causa della configurazione divisa di SiJAR, diversi metalli nobili catalitici (Pt, Pd, Ru) sono stati selettivamente modificati sulla sezione palpebrale mediante reazioni galvaniche. Successivamente, il coperchio è stato aperto in condizioni leggermente acide o in un ambiente intracellulare, creando un ampio passaggio nel guscio spostando verso l'interno il catalizzatore metallico residuo del coperchio. Questa struttura aperta ospita grandi enzimi, facilitando così l'incapsulamento.

Il nanoreattore sintetizzato in questo studio è composto da silice con elevata biocompatibilità e proteggendo nanocristalli catalitici o grandi biomolecole in un compartimento di silice a bocca aperta, ha eseguito una reazione aldolica asimmetrica con elevata enantioselettività tramite una stabilizzazione dello stato di transizione cooperativa enzima-metallo. Inoltre, i ricercatori hanno confermato che funziona come un organello catalitico artificiale eseguendo stabilmente la reazione all'interno delle cellule viventi.

Il nanodispositivo chemioenzimatico ibrido, personalizzabile attraverso questa sofisticata strategia di conversione a stato solido, ha una struttura e una funzione simile a quella degli organelli intracellulari, e può essere utilizzato per sintetizzare terapie attive e sonde di bioimmagine localmente all'interno delle cellule per essere adatte all'uso nel bioimaging e nel trattamento di prossima generazione.

"Con i risultati di questa ricerca che utilizza le uniche reazioni chimiche confinate al nanospazio (NCCR), non vediamo l'ora di sviluppare la tecnologia che regola artificialmente le funzioni cellulari, " ha commentato il professor In Su Lee che ha guidato lo studio.