Figura 1. Generazione udibile indotta dal suono di domini transitori e reti di reazione a cascata controllate spaziotemporalmente. Credito:Istituto per le scienze di base
La regolazione spaziotemporale delle reazioni enzimatiche multifase attraverso la compartimentazione è essenziale negli studi che imitano i sistemi naturali come le cellule e gli organelli. Finora, gli scienziati hanno utilizzato liposomi, vescicole o polimeri per separare fisicamente i diversi enzimi nei compartimenti, che funzionano come "organi artificiali". Ma ora, un team guidato dal direttore KIM Kimoon presso il Center for Self-assembly and Complexity all'interno dell'Institute for Basic Science di Pohang, in Corea del Sud, ha dimostrato con successo la stessa regolazione spaziotemporale delle reazioni chimiche utilizzando solo il suono udibile, che è completamente diverso da i metodi precedenti sopra menzionati. Il loro studio appare in Nature Communications .
Il suono è ampiamente utilizzato in fisica, scienza dei materiali e altri campi, ma è stato usato raramente in chimica. In particolare, il suono udibile (nell'intervallo 20–20.000 Hz) non è stato finora utilizzato nelle reazioni chimiche a causa della sua bassa energia. Tuttavia, per la prima volta, lo stesso gruppo dell'IBS aveva già dimostrato con successo nel 2020 la regolazione spaziotemporale delle reazioni chimiche attraverso una dissoluzione selettiva dei gas atmosferici tramite onde stazionarie generate dal suono udibile.
Successivamente, hanno osservato da vicino il movimento della soluzione indotto dal suono udibile e hanno scoperto che la soluzione era separata e non mescolata tra loro a causa della regione del nodo dell'onda come se i diversi strati fossero bloccati da un muro invisibile. Hanno chiamato questo dominio transitorio della soluzione creato dalla pseudo-compartimentazione del suono udibile e lo hanno utilizzato per controllare le reti di reazione a cascata basate su enzimi in una soluzione. In questo fenomeno, il flusso di fluido che viene indotto in un contenitore che vibra su e giù da un suono udibile non si mescola tra loro attorno al nodo dell'onda e, come tale, la soluzione diventa naturalmente compartimentata.
Figura 2. Controllo spazio-temporale udibile mediato dal suono sulla reazione a cascata di glucosio/GOx/HRP/ABTS. (A) Rappresentazione schematica della reazione a cascata glucosio/GOx/HRP/ABTS. (B) Il pattern a forma casuale generato senza applicare un suono udibile (C) Cambiamenti dipendenti dal tempo di un pattern ad anello concentrico ottenuto applicando un ingresso sonoro udibile (40 Hz). Credito:Istituto per le scienze di base
Questa nuova scoperta ha ispirato il gruppo a utilizzare questo fenomeno per tentare la regolazione spaziotemporale delle reazioni enzimatiche multifase. Normalmente, ciò richiede la creazione di compartimenti artificiali utilizzando lipidi o vengono generalmente utilizzati polimeri, ma il gruppo di Kim ha dimostrato che ciò può essere possibile utilizzando solo un suono udibile. Per raggiungere questo obiettivo, hanno progettato un sistema intelligente sfruttando il fatto che l'ossigeno nell'aria si dissolve solo nella regione dell'antinodo della soluzione vibrante (Figura 1).
Per testare questo sistema, il gruppo di Kim ha eseguito una reazione enzimatica multifase composta da glucosio ossidasi (GOx) e perossidasi di rafano (HRP). Nella prima fase, l'enzima GOx catalizza l'ossidazione del glucosio e produce perossido di idrogeno. Questo perossido viene quindi utilizzato dall'enzima HRP per alimentare il secondo passaggio, che prevede l'ossidazione del colorante ABTS incolore in un radicale ABTS di colore ciano. I ricercatori saprebbero che il loro sistema ha funzionato come previsto se il colore ciano fosse apparso in regioni specifiche della soluzione.
Figura 3. (A) Suono udibile e controllo spaziotemporale mediato da enzimi dell'assemblaggio di nanoparticelle d'oro. Modelli concentrici colorati e immagini TEM sono stati presi da ciascuna regione del modello. (B) Idrogel modellato con nanoparticelle (a sinistra) e suo utilizzo per la crescita cellulare selettiva (a destra). Nell'immagine del microscopio a fluorescenza, i punti rossi rappresentano le cellule HeLa sulla superficie dell'idrogel modellata. Credito:Istituto per le scienze di base
Come previsto, gli autori sono stati in grado di osservare visivamente modelli di anelli concentrici di colore ciano, che hanno confermato che sono riusciti nel controllo spaziotemporale della reazione a cascata GOx-HRP utilizzando solo il suono udibile (Figura 2). Gli autori hanno inoltre dimostrato che questo metodo può essere esteso per controllare la crescita in situ guidata dal redox o l'autoassemblaggio sensibile al pH di nanoparticelle all'interno dei domini spaziotemporali presenti nella soluzione. (Figura 3A). Inoltre, gli autori hanno anche presentato la preparazione di idrogel modellati con nanoparticelle, che contenevano particelle autoassemblate solo in regioni selezionate. Questi gel possono essere utilizzati in piattaforme di crescita cellulare specifiche della regione (Figura 3B).
"Questo nuovo approccio che utilizza il suono udibile fornirà una strategia totalmente nuova e affidabile per controllare i processi chimici all'interno di pseudo-compartimenti prevedibili ma generati transitoriamente all'interno di una soluzione", spiega il direttore Kim. + Esplora ulteriormente
