Новости химической науки > Наноупакованные ферменты отрезвляют пьяных мышей

Исследователи из США и Китая разработали способ инкапсулирования ансамблей ферментов в тонкую полимерную оболочку. Результаты исследования дают возможность ферментам осуществлять серии последовательных реакций в закрытом пространстве – таким же образом, как это происходит в живых системах.

Работа системы была проиллюстрирована на примере того, как происходит отрезвление пьяных мышей с помощью упаковки, содержащей комплекс ферментов, способствующих разрушению этанола.

Юнфенг Лю (Yunfeng Lu) из Университета Калифорнии (Лос-Анжелес) отмечает, что в клетках-эукариотах большая часть ферментов не может свободно диффундировать в пределах цитозоля, а находится в частично связанном состоянии из-за межмолекулярного взаимодействия с субклеточными органоидами или же эти ферменты совместно локализованы с комплексами других ферментов. Такая организация позволяет минимизировать диффузию интермедиатов при перемещении от одних ферментов к другим, что способствует увеличению эфективности и специфичности всего процесса в целом. Такой дизайн, помимо прочего, способствует тому, что токсичные вещества, которые могут образоваться в ходе реакции, оперативно разрушаются ферментами, также локализованными в пределах этих субклеточных структур.

Опьяневшие мыши трезвели быстрее после инъекции комплекса.

Лю с коллегами разработал элегантный способ совместной доставки нескольких ферментов, находящихся в близком контакте друг с другом за счет оборачивания этих ферментов в полимерный кокон – вся полученная система может рассматриваться как синтетический органоид. Первым этапом создания искусственного органоида была идентификация ингибиторов – молекул, которые способны специфично связываться с определенным ферментом. На следующем этапе сразу несколько ингибиторов – каждый, соответствующий строго определенному ферменту, связывали с цепью ДНК. В присутствии различных ферментов каждый ингибитор связывается со «своим собственным» ферментам, образуя комплекс.

Следующий шаг заключался в инкапсулировании каждого комплекса ферментов в тонкий слой полимера с помощью методики полимеризацииin-situ. Для этого ферменты модифицировали, вводя в их структуру акрилоильные фрагменты. С этими фрагментами взаимодействовали мономеры акриламида, и в присутствии подходящего сшивающего агента вокруг комплексов фермента была выращена тонкая поперечно-сшитая полиакриламидная оболочка. После ее образования осторожный нагрев позволяет удалить матрицу ДНК и ингибиторы, оставляя в результате лишь ферменты, заключенные в оболочку полимера.

До инкапсуляции в полиакриламид ферменты, объединяемые в комплекс, связываются с модифицированной нитью ДНК. (Рисунок из Nat. Nanotechnol., 2013, DOI: 10.1038/nnano.2012.264)

Исследователи продемонстрировали разработанную концепцию с помощью ферментов алкогольоксидазы и каталазы, совместная работа которых позволяет удалять этанол из крови. Оксидаза (алкогольдегидрогеназа) окисляет этанол до уксусного альдегида, в результате чего образуется перекись водорода, которая разрушается каталазой до воды и кислорода.

Для демонстрации возможности системы исследователи испытали ее на мышах, предварительно добавив им в пищу этанол. Грызуны быстро подвергались алкогольной интоксикации и теряли сознания. Затем мыши, которым вводили комплекс ферментов, быстро восстанавливались и за три часа содержание этанола в их крови падало до 35% от исходного, в то время, как мыши из контрольной группы, которым не вводили ферменты, демонстрировали лишь незначительное понижение содержания этанола.

Лю предполагает, что новая система может использоваться не только как антидот для отравления алкоголем, подход может быть обобщён и для других комбинаций ферментов. Исследователь полагает, что разумный выбор ферментов позволит сконструировать новый класс комплексов с программируемыми, комплементарными или синергетическими функциями.

Источник: Nat. Nanotechnol., 2013, DOI: 10.1038/nnano.2012.264

метки статьи: #биохимия, #медицинская химия, #межмолекулярные взаимодействия, #молекулярная биология, #химия полимеров