p Usando moléculas de DNA como uma estrutura arquitetônica, Cientistas da Arizona State University, em colaboração com colegas da Universidade de Michigan, desenvolveram uma cascata de enzimas artificiais 3-D que imita uma importante via bioquímica que pode ser importante para futuras aplicações biomédicas e de energia. p Os resultados foram publicados na revista Nature Nanotechnology . Liderado pelo professor da ASU Hao Yan, a equipe de pesquisa incluiu pesquisadores do ASU Biodesign Institute Jinglin Fu, Yuhe Yang, Minghui Liu, O professor Yan Liu e o professor Neal Woodbury, juntamente com os colegas, o professor Nils Walter e o pós-doutorado Alexander Johnson-Buck na Universidade de Michigan.

p Pesquisadores na área de nanotecnologia de DNA, aproveitando as propriedades de ligação dos blocos de construção químicos do DNA, torça e auto-monte o DNA em estruturas bidimensionais e tridimensionais cada vez mais imaginativas para a área médica, aplicações eletrônicas e de energia.

p Na última descoberta, a equipe de pesquisa aceitou o desafio de imitar enzimas fora dos limites amigáveis ​​da célula. Essas enzimas aceleram as reações químicas, usado em nossos corpos para a digestão de alimentos em açúcares e energia durante o metabolismo humano, por exemplo.

p "Olhamos para a Natureza em busca de inspiração para construir sistemas moleculares feitos pelo homem que imitam as sofisticadas máquinas em nanoescala desenvolvidas em sistemas biológicos vivos, e nós projetamos racionalmente nanoscaffolds moleculares para alcançar a biomimética no nível molecular, "Yan disse, que detém a cadeira Milton Glick no Departamento de Química e Bioquímica da ASU e dirige o Centro de Design Molecular e Biomimética no Instituto de Biodesign.

p Com enzimas, todas as peças móveis devem ser rigidamente controladas e coordenadas, caso contrário, a reação não funcionará. As partes móveis, que incluem moléculas como substratos e cofatores, todos cabem em um bolso de enzima complexo, assim como uma bola de beisebol em uma luva. Assim que todas as peças químicas encontrarem seu lugar no bolso, a energética que controla a reação torna-se favorável, e fazer a química acontecer rapidamente. Cada enzima libera seu produto, como um bastão entregue em uma corrida de revezamento, a outra enzima para realizar a próxima etapa de uma via bioquímica no corpo humano.

p Para o novo estudo, os pesquisadores escolheram um par de enzimas universais, glicose-6 fosfato desidrogenase (G6pDH) e malato desidrogenase (MDH), que são importantes para a biossíntese - fazendo os aminoácidos, gorduras e ácidos nucléicos essenciais para toda a vida. Por exemplo, defeitos encontrados na via causam anemia em humanos. "As enzimas desidrogenase são particularmente importantes, pois fornecem a maior parte da energia de uma célula", disse Walter. "O trabalho com essas enzimas pode levar a futuras aplicações na produção de energia verde, como células a combustível usando biomateriais como combustível."

p No caminho, G6pDH usa o substrato de açúcar de glicose e um cofator chamado NAD para retirar os átomos de hidrogênio da glicose e transferir para a próxima enzima, MDH, continuar a produzir ácido málico e gerar NADH no processo, que é usado como um co-fator chave para a biossíntese.

p Refazer esse par de enzimas no tubo de ensaio e fazê-lo funcionar fora da célula é um grande desafio para a nanotecnologia de DNA.

p Para enfrentar o desafio, eles primeiro fizeram um andaime de DNA que se parece com vários rolos de toalha de papel colados. Usando um programa de computador, eles foram capazes de personalizar os blocos de construção químicos da sequência de DNA para que o andaime se automontasse. Próximo, as duas enzimas foram anexadas às extremidades dos tubos de DNA.

p No meio do andaime de DNA, eles fixaram uma única fita de DNA, com o NAD + amarrado ao final como uma bola e um barbante. Yan se refere a isso como um braço oscilante, que é longo, flexível e hábil o suficiente para balançar para frente e para trás entre as enzimas.

p Uma vez que o sistema foi feito em um tubo de ensaio, aquecendo e resfriando o DNA, o que leva à automontagem, as partes da enzima foram adicionadas. Eles confirmaram a estrutura usando um microscópio de alta potência, chamado de AFM, que pode ver em nanoescala, 1, 000 vezes menor que a largura de um cabelo humano.

p Como arquitetos, os cientistas primeiro construíram um modelo em escala real para que pudessem testar e medir a geometria e estruturas espaciais, incluindo em sua configuração um minúsculo corante fluorescente preso ao braço oscilante. Se a reação ocorrer, eles podem medir um sinal de farol vermelho que a tinta emite - mas, neste caso, ao contrário de um sinal de trânsito, uma luz vermelha significa que a reação funciona.

p Próximo, eles testaram o sistema enzimático e descobriram que ele funcionava da mesma forma que uma cascata de enzimas celulares. Eles também mediram o efeito ao variar a distância entre o braço oscilante e as enzimas. Eles descobriram que havia um ponto ideal, a 7 nm, onde o ângulo do braço era paralelo ao par de enzimas.

p Com um único braço oscilante no sistema de tubo de ensaio funcionando exatamente como as enzimas celulares, eles decidiram adicionar armas, testando os limites do sistema com até 4 braços adicionados. Eles foram capazes de mostrar que, à medida que cada braço era adicionado, o G6pDH poderia acompanhar para fazer ainda mais produtos, enquanto o MDH atingiu seu limite máximo depois de apenas dois braços oscilantes. "Alinhar enzimas ao longo de uma linha de montagem projetada como Henry Ford fez para as peças de automóveis é particularmente satisfatório para alguém que mora perto da cidade automotiva de Detroit, "disse Walter.

p O trabalho também abre um futuro brilhante, onde as vias bioquímicas podem ser replicadas fora da célula para desenvolver aplicações biomédicas, como métodos de detecção para plataformas de diagnóstico.

p "Um objetivo ainda mais elevado e valioso é projetar vias de enzimas em cascata altamente programadas em plataformas de nanoestrutura de DNA com controle de sequências de entrada e saída. Atingir essa meta não só permitiria aos pesquisadores imitar as elegantes cascatas de enzimas encontradas na natureza e tentar entender seus mecanismos subjacentes de ação, mas facilitaria a construção de cascatas artificiais que não existem na natureza, "disse Yan.