Mentre gli enzimi a flusso libero viaggiano in un mare di polimeri, un team di Northwestern Engineering ha scoperto che quegli enzimi preferiscono unire determinate sequenze polimeriche rispetto ad altre, una scoperta che potrebbe portare ad applicazioni in una vasta gamma di campi che vanno dal trattamento dei rifiuti nucleari alla consegna di farmaci.

"Da tutti questi lotti di casualità, abbiamo scoperto che ogni particolare enzima seleziona una sequenza che gli piace di più, " disse Monica Olvera de la Cruz, l'avvocato Taylor Professor of Materials Science and Engineering presso la McCormick School of Engineering and Applied Science della Northwestern, che ha condotto lo studio. "Questo è importante perché fa luce su come potremmo progettare la composizione di un lotto di polimeri, così disperderanno gli enzimi attivamente in ambienti non biologici".

Scritto da Olvera de la Cruz e da due colleghi del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali di McCormick, il ricercatore associato Trung Dac Nguyen e il professore assistente di ricerca Baofu Qiao, lo studio, intitolato "Incapsulamento efficiente di proteine ​​con copolimeri casuali, "pubblicato oggi, 11 giugno nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Gli enzimi svolgono un ruolo vitale in una serie di processi chimici e biologici facilitando e dirigendo le reazioni biochimiche. A causa della limitata solubilità di alcuni substrati in acqua, preservare e/o potenziare la capacità catalitica di alcuni enzimi in soluzioni non acquose è di crescente richiesta. Però, la maggior parte degli enzimi perde rapidamente la propria attività chimica se esposta ad ambienti non biologici, inclusi solventi organici come toluene e tetraidrofurano. Sebbene siano state impiegate numerose strategie di stabilizzazione enzimatica come sequenze enzimatiche di reverse engineering, enzimi decorativi con tensioattivi, o modificando i solventi, la maggior parte di essi è limitata a specifici enzimi e solventi o è inefficace in termini di costi.

Esecuzione di simulazioni al computer presso Quest, La potente struttura di calcolo della Northwestern, i ricercatori hanno esaminato:i fattori chiave che hanno determinato la copertura dei copolimeri casuali con diversi tipi di enzimi in un determinato solvente; come gli enzimi hanno selezionato i copolimeri casuali per proteggersi dai solventi sfavorevoli; e la relazione tra le caratteristiche della superficie dell'enzima e le caratteristiche del polimero.

"Abbiamo scoperto che gli enzimi selezionano effettivamente alcune sequenze polimeriche che coprono meglio la loro superficie fuori dal pool dei polimeri, " ha detto Trung. "I copolimeri casuali forniscono la diversità di composizione e sequenza simile a quella degli enzimi disordinati, il che spiega perché possono coprire in modo efficiente numerosi enzimi di diverse dimensioni, forma, e modelli di superficie."

Lo studio, alimentato da una sovvenzione del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dal sostegno della Sherman Fairchild Foundation che ha consentito il lavoro computazionale, evidenzia che questa speciale famiglia di copolimeri è un eccellente materiale candidato per la sintesi di organelli senza membrana, le goccioline liquide di dimensioni micron all'interno delle cellule degli organismi viventi, nonché per stabilizzare e fornire enzimi su più mezzi non biologici.

"Proprio adesso, ad esempio, i ricercatori dell'industria farmaceutica stanno cercando di far combaciare perfettamente le sequenze, " Olvera de la Cruz ha detto. "La nostra scoperta fornisce linee guida per rendere la dispersione degli enzimi molto più conveniente ed efficiente".

Olvera de la Cruz e i suoi colleghi hanno ora in programma di studiare come gli organelli senza membrana potrebbero formarsi spontaneamente con questi copolimeri-enzimi, come controllare le loro dimensioni, e come le proprietà strutturali degli enzimi potrebbero essere influenzate all'interno degli organelli.

"Il prossimo passo sarà esplorare le possibilità di concentrare insieme diversi enzimi, che è molto promettente nell'avanzare la loro capacità catalitica, nella creazione di nuovi prodotti chimici, oltre che nel trattamento dei rifiuti industriali, in modo efficiente, " ha detto Olvera de la Cruz.