推进合成生物学

在一项新的研究中,郝,中心主任分子设计和仿生学在亚利桑那州立大学生物设计研究所,是一个聪明的本地化和限制酶和底物分子的结合,加速反应生命过程所必需的。

的研究有深远的应用领域从提高工业效率开拓新的医学诊断,指导靶向药物输送和生产智能材料。还承诺的工作做了新的阐述和新陈代谢的细胞组织。

该技术涉及到专业的设计,从长度的DNA自组装纳米笼。笼子酶和底物附近,大大加快反应的速度和屏蔽他们退化。

“我们已经设计可编程DNA纳米结构越来越复杂多年,,现在,是时候问我们能做什么与这些结构,“燕说,世卫组织还在亚利桑那州立大学的教授分子科学学院人文学院和科学。“从这个新兴技术有许多其他应用程序。通过我们的跨学科合作,我们在这里描述的使用设计师DNA nanocages划分酶反应在密闭环境中。灵感来自大自然,我们发现了有趣的性质,一些意想不到的。”

研究员赵赵在分子设计中心和仿生学,是论文的第一作者,这是与研究人员来自亚利桑那州立大学的化学系,罗格斯大学和密歇根大学的。

酶的世界

作为几乎所有化学活化剂身体反应,酶是主要参与细胞的正常活动,组织、体液和器官。成千上万的代谢酶存在于人体,参与不同的活动包括DNA复制和修复和葡萄糖转变成可用的能量。在其他地方,一些22消化酶分解碳水化合物(淀粉酶)、脂肪(脂酶)和糖(二糖),而所谓的蛋白酶酶消化蛋白质。

酶往往是非常具体的,不仅在他们执行有用的功能,但是它们的精确的基板。底物分子正确的大小和形状与适当的酶结合正确的关键符合一个锁的山脊和沟槽。

基质闩上酶分子在特定地区称为活性部位。一旦酶和底物结合,形成一种化学产品,然后释放,返回的酶原配置准备操作新的底物分子。

为了让这种反应发生在一个有效的方式,大自然设计的划分方法,形成天然反应堆地点es反应展开。细胞本身就是这样一个隔间,各种膜结合细胞器中发现真核生物(细胞含有核),包括线粒体、溶酶体和过氧化物酶体。

反应物的划分有助于克服各种挑战,将绑定化学物质舒适的距离,隔离es复合物从竞争反应的化学物质,提高产品的产量和减少产生的分子毒性有时会导致各种中介化学物质。

为了诱发或促进化学反应的目的多种多样,合成生物学家从大自然的食谱书复制页面,设计人工隔间捏造从蛋白质,脂质和核酸DNA中发现(在当前的研究中)。

近距离接触

燕和他的同事们设计他们的房子合成反应器酶和底物,让化学转换发生在一个被控制的环境中。每分钟结构,身高仅54纳米宽,有点像费伯奇蛋的独立部分组合在一起来封装它们的化学的内容。(一纳米是1000000000米或80000倍小于人类头发的宽度)。

使用DNA的碱基配对性质的四核苷酸——标签,T、C和G -让纳米级建筑师像燕在两,三维构造多种形式。在新的研究中,DNA nanocages被用来封装代谢酶高组装产量和调整控制反应物和产物。

的建设nanocages发生在两个步骤。首先,个人酶连接到开放half-cage结构。然后,half-cages组装成一个完整的,nanocage关闭。创建half-cages,称为DNA折纸的技术。长度的病毒DNA准备自组装成蜂窝状晶格,与核苷酸配对与C与G和T。

DNA的开式half-cages nanocages允许访问大型蛋白质分子进入nanocage内部的空腔。两个half-cages组装的短桥DNA链结合互补的DNA序列从边缘的half-cage(见下面的动画)。顶部和底部的小缺口在每个表面的DNA nanocage允许小分子的扩散在DNA的墙壁。

探索纳米

检查生成的结构使用透射电子显微镜,以及凝胶电泳和单分子荧光实验,表明近100%的DNA片段正确形成half-cage结构和超过90%形成完整的笼子里。

研究了六种不同的酶,从最小的大小,而测量~ 44 kD (kilodaltons)最大的~ 450 kD。所有六个酶成功封装在nanocages,尽管根据酶产量变化的大小。最大的酶检查,称为β-galactosidase,显示最低的收益率为64%。

接下来,es对评估的活动。除了引入es对邻近紧密绑定,封装在nanocage也被认为促进活动通过独特nanocage内的电荷密度条件。

后续的实验表明,大多数的影响es活动nanocages是因为nanocages内独特的充电环境,而不是es接近。作者认为封装内酶表现出更高的活动密集的DNA笼子的高度有序,氢键周围水环境。

酶活性的评估显示4 - 10倍增加nanocages酶封装,而自由酶的活动。酶周转率——定义为底物分子的化学转换的最大数量每秒——反向与封装大小的相关酶,酶与最小的收益率最高的营业额。

未来的笼子里

DNA笼子里展示了他们弹性实验期间,保留其结构形式在酶反应。他们还保护封装从失活酶由于消化的化学物质,同时允许小分子底物和反应产品的不间断扩散通过DNA的纳米孔笼。

封装在nanocages显示增加活跃的酶分子的分数和个人营业额数字。因此方法提供了一个新的分子工具修改本地环境周围的酶和底物,打开门在智能材料和生物医学应用新的应用程序。后者包括未来可编程的笼子里,可以作为纳米级交付机制广泛的治疗药物。