Usando molecole di DNA come un'impalcatura architettonica, Scienziati dell'Arizona State University, in collaborazione con i colleghi dell'Università del Michigan, hanno sviluppato una cascata enzimatica artificiale 3D che imita un importante percorso biochimico che potrebbe rivelarsi importante per future applicazioni biomediche ed energetiche.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nanotecnologia della natura . Guidato dal professor Hao Yan dell'ASU, il gruppo di ricerca comprendeva i ricercatori dell'ASU Biodesign Institute Jinglin Fu, Yuhe Yang, Minghui Liu, Il professor Yan Liu e il professor Neal Woodbury insieme ai colleghi professor Nils Walter e al borsista post-dottorato Alexander Johnson-Buck presso l'Università del Michigan.

Ricercatori nel campo della nanotecnologia del DNA, sfruttando le proprietà di legame dei mattoni chimici del DNA, torcere e autoassemblare il DNA in strutture bidimensionali e tridimensionali sempre più fantasiose per uso medico, applicazioni elettroniche ed energetiche.

Nell'ultima svolta, il team di ricerca ha raccolto la sfida di imitare gli enzimi al di fuori dei confini amichevoli della cellula. Questi enzimi accelerano le reazioni chimiche, utilizzato nei nostri corpi per la digestione del cibo in zuccheri ed energia durante il metabolismo umano, Per esempio.

"Guardiamo alla natura per l'ispirazione per costruire sistemi molecolari creati dall'uomo che imitano i sofisticati macchinari su nanoscala sviluppati nei sistemi biologici viventi, e progettiamo razionalmente nanoscaffold molecolari per ottenere la biomimetica a livello molecolare, "Yan ha detto, che detiene la cattedra Milton Glick presso il Dipartimento di Chimica e Biochimica dell'ASU e dirige il Centro per la progettazione molecolare e la biomimetica presso il Biodesign Institute.

Con enzimi, tutte le parti in movimento devono essere strettamente controllate e coordinate, altrimenti la reazione non funzionerà. Le parti mobili, che includono molecole come substrati e cofattori, tutto si inserisce in una complessa tasca enzimatica proprio come una palla da baseball in un guanto. Una volta che tutte le parti chimiche hanno trovato il loro posto nella tasca, le energetiche che controllano la reazione diventano favorevoli, e far accadere rapidamente la chimica. Ogni enzima rilascia il suo prodotto, come un testimone passato in una staffetta, a un altro enzima per eseguire il passaggio successivo di un percorso biochimico nel corpo umano.

Per il nuovo studio, i ricercatori hanno scelto una coppia di enzimi universali, glucosio-6 fosfato deidrogenasi (G6pDH) e malato deidrogenasi (MDH), che sono importanti per la biosintesi:produrre gli amminoacidi, grassi e acidi nucleici essenziali per tutta la vita. Per esempio, i difetti riscontrati nel percorso causano anemia nell'uomo. "Gli enzimi deidrogenasi sono particolarmente importanti poiché forniscono la maggior parte dell'energia di una cellula", disse Walter. "Lavorare con questi enzimi potrebbe portare a future applicazioni nella produzione di energia verde come le celle a combustibile che utilizzano biomateriali per il carburante".

Nel percorso, G6pDH utilizza il substrato di zucchero glucosio e un cofattore chiamato NAD per rimuovere gli atomi di idrogeno dal glucosio e trasferirli all'enzima successivo, MDH, per andare avanti e produrre acido malico e generare NADH nel processo, che viene utilizzato come cofattore chiave per la biosintesi.

Rifare questa coppia di enzimi nella provetta e farla funzionare all'esterno della cellula è una grande sfida per la nanotecnologia del DNA.

Per vincere la sfida, prima hanno realizzato un'impalcatura del DNA che assomiglia a diversi rotoli di carta assorbente incollati insieme. Utilizzando un programma per computer, sono stati in grado di personalizzare i mattoni chimici della sequenza del DNA in modo che l'impalcatura si autoassemblasse. Prossimo, i due enzimi erano attaccati alle estremità dei tubi del DNA.

Nel mezzo dell'impalcatura del DNA, hanno apposto un singolo filamento di DNA, con il NAD+ legato all'estremità come una palla e un filo. Yan si riferisce a questo come un braccio oscillante, che è lungo, abbastanza flessibile e abile da oscillare avanti e indietro tra gli enzimi.

Una volta che il sistema è stato realizzato in una provetta riscaldando e raffreddando il DNA, che porta all'autoassemblaggio, le parti enzimatiche sono state aggiunte. Hanno confermato la struttura usando un microscopio ad alta potenza, chiamato AFM, che può vedere fino alla nanoscala, 1, 000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano.

Come gli architetti, gli scienziati hanno prima costruito un modello in scala reale in modo da poter testare e misurare la geometria e le strutture spaziali, includendo nella loro configurazione un minuscolo colorante fluorescente attaccato al braccio oscillante. Se avviene la reazione, possono misurare un segnale luminoso rosso emesso dal colorante, ma in questo caso, a differenza di un semaforo, una luce rossa significa che la reazione funziona.

Prossimo, hanno provato il sistema enzimatico e hanno scoperto che funzionava esattamente come una cascata di enzimi cellulari. Hanno anche misurato l'effetto variando la distanza tra il braccio oscillante e gli enzimi. Hanno scoperto che c'era un punto debole, a 7nm, dove l'angolo del braccio era parallelo alla coppia di enzimi.

Con un unico braccio oscillante nel sistema in provetta che funziona proprio come gli enzimi cellulari, decisero di aggiungere armi, testare i limiti del sistema con un massimo di 4 bracci aggiunti. Sono stati in grado di dimostrare che quando ogni braccio veniva aggiunto, il G6pDH potrebbe tenere il passo per fare ancora più prodotto, mentre l'MDH aveva raggiunto il massimo dopo solo due bracci oscillanti. "Rivestire gli enzimi lungo una catena di montaggio progettata come ha fatto Henry Ford per i ricambi per auto è particolarmente soddisfacente per qualcuno che vive vicino alla città automobilistica di Detroit, " disse Valter.

Il lavoro apre anche un brillante futuro in cui i percorsi biochimici possono essere replicati all'esterno della cellula per sviluppare applicazioni biomediche come metodi di rilevamento per piattaforme diagnostiche.

"Un obiettivo ancora più alto e prezioso è quello di progettare percorsi enzimatici a cascata altamente programmati su piattaforme di nanostrutture di DNA con il controllo delle sequenze di input e output. Raggiungere questo obiettivo non solo consentirebbe ai ricercatori di imitare le eleganti cascate enzimatiche presenti in natura e tentare di capire il loro meccanismi di azione sottostanti, ma faciliterebbe la costruzione di cascate artificiali che non esistono in natura, " ha detto Yan.