Исследователи создали материал, который позволяет управлять работой фермента с помощью инфракрасного лазера. Для этого фермент поместили в пористую керамическую капсулу вместе с золотыми наночастицами. В таком состоянии молекула потеряла чувствительность к температуре (не разрушалась при нагреве), а при освещении лазером ускоряла химическую реакцию в девять раз. В перспективе такой подход поможет создавать биоподобные катализаторы — «ускорители превращений» — и развивать «зеленые» технологии, например, системы улавливания углекислого газа. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal.
Ферменты — это природные ускорители химических реакций. Они работают в живых клетках и активно используются при производстве лекарств, продуктов питания и моющих средств. Но у них есть слабое место: при нагреве выше 50°C большинство ферментов разрушается и теряет активность. А ведь именно тепло — самый простой способ управлять реакцией на расстоянии: нагрел — реакция пошла быстрее. Однако до сих пор использовать такой подход не удавалось из-за слишком большой чувствительности ферментов к температуре.
Ученые Научно-технологического университета «Сириус» (Федеральная территория «Сириус») и Московского физико-технического института (Долгопрудный, Московская область) предложили управлять ферментом не напрямую теплом, а с помощью света. Это открывает путь к «умным» биокатализаторам, которые включаются по команде, а в перспективе — к медицинским технологиям, где реакции можно будет запускать прямо внутри организма, например, для противоопухолевой терапии.
Исследователи создали систему на основе трех компонентов: фермента карбоангидразы, золотых наночастиц в форме полых сфер и оксида алюминия. Карбоангидразу выбрали не случайно: она играет важную роль в клеточном «дыхании», ускоряя превращение углекислого газа в углекислоту (в его растворенную в воде форму), и ее активность удобно измерять при помощи цветной реакции, в процессе которой смесь желтеет.
Фермент и наночастицы «заперли» внутри пористой керамической матрицы, сделанной из оксида алюминия. Когда на такой материал направляли инфракрасный лазер, золотые наночастицы поглощали свет и превращали его в тепло. Керамика при этом играла роль защитной капсулы, которая не давала ферменту потерять структуру при нагреве. Это можно сравнить с тем, как пористая и проницаемая скорлупа защищает содержимое куриного яйца.
Чтобы доказать защитные свойства керамической матрицы, авторы поместили чистый фермент и фермент в керамической капсуле в водяную баню, нагретую до 70°C, и проследили, как менялась их структура. Оказалось, что свободный белок постепенно терял форму и слипался в комки, а фермент внутри матрицы почти не менялся.
Затем с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии — метода, который фиксирует изменения при нагреве, — ученые определили температуру, при которой белок необратимо теряет свои свойства. У свободного фермента она составила 67°C, у фермента в матрице без золота — 103°C, а в матрице с золотом — 96°C. Для сравнения: большинство ферментов разрушается уже при 50–60°C, так что «защитный» материал заметно расширяет рабочий диапазон температур. Это делает его перспективным для процессов, где нужен нагрев, — например, для промышленных реакций и для медицины.
Кроме того, исследователи оценили активность фермента в матрице из оксида алюминия и золотых наночастиц, облучив его инфракрасным лазером. При содержании золота всего 0,5% от массы всего материала (что очень экономично) активность фермента выросла в девять раз по сравнению с чистым образцом (вне защитной капсулы).
Материал выдержал 11 циклов нагрева и охлаждения без потери активности. Это значит, что его можно использовать многократно. Разработка может пригодиться в биотехнологии и медицине, где нужно управлять реакциями с помощью света и при этом не разрушать ферменты.
«Мы использовали биосовместимые материалы — оксид алюминия и золото, которые применяются в медицинской практике. Мы видим большой потенциал разработанной концепции как в области медицины, так и в области биотехнологий и “зеленого перехода”. В дальнейшем мы планируем продолжать исследования в этой области, а также развивать разработанную технологию в промышленном направлении для улавливания углекислого газа», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Андрей Дроздов, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Научного центра генетики и наук о жизни Научно-технологического университета «Сириус».
Авторы отмечают, что золотые наночастицы, использованные в составе предложенного материала, интересны также сами по себе, поскольку они поглощают свет с длиной волны, которая хорошо проходит через ткани организма. В перспективе это позволит применять наночастицы для фототерапии опухолей: сначала их потребуется изменить так, чтобы они накапливались в нужном месте, а затем нагревать лазером. При этом важно будет строго контролировать нагрев материала, чтобы не вызвать ожоги и омертвение тканей, а также решить вопросы доставки и поведения материала в организме.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
