Учёные создали материал, который позволяет управлять работой фермента с помощью инфракрасного лазера. Фермент поместили в пористую керамическую капсулу вместе с золотыми наночастицами. В таком состоянии молекула потеряла чувствительность к температуре, а при освещении лазером ускоряла химическую реакцию в девять раз. Об этом сообщили в пресс-службе РНФ.
Ферменты — это биологические катализаторы, ускоряющие химические реакции в живых организмах. Они широко применяются в медицине, пищевой промышленности и производстве моющих средств. Однако их работа имеет существенный недостаток: при нагреве выше 50°С большинство ферментов теряют свою активность. Это ограничение затрудняет их использование в процессах, требующих дистанционного управления реакциями, например, с помощью тепла.
Исследователи из Научно-технологического университета «Сириус» и Московского физико-технического института предложили новый метод управления ферментами с помощью света. Этот подход открывает перспективы создания «умных» биокатализаторов, которые можно активировать по команде, а также применения в медицине для запуска реакций внутри организма, например, в противоопухолевой терапии.
Исследователи разработали систему, состоящую из трёх компонентов: фермента карбоангидразы, золотых наночастиц в виде полых сфер и оксида алюминия. Выбор карбоангидразы был обусловлен её ключевой ролью в клеточном дыхании, где она ускоряет превращение углекислого газа в углекислоту. Активность этого фермента удобно измерять с помощью цветной реакции, в ходе которой смесь желтеет.
Фермент и наночастицы были заключены в пористую керамическую матрицу из оксида алюминия. При облучении материала инфракрасным лазером золотые наночастицы поглощали свет и превращали его в тепло. Оксид алюминия выполнял функцию защитной капсулы, предотвращая разрушение структуры фермента при нагреве. Это можно сравнить с пористой скорлупой куриного яйца, которая защищает его содержимое.
Чтобы подтвердить защитные свойства керамической матрицы, учёные провели эксперимент. Они поместили чистый фермент и фермент в матрице в водяную баню, нагретую до 70°С, и наблюдали за изменениями их структуры. Свободный белок постепенно терял форму и склеивался, в то время как фермент в матрице практически не изменялся.
Затем учёные использовали дифференциальную сканирующую калориметрию для определения температуры, при которой белок теряет свои свойства. Для чистого фермента эта температура составила 67°С, для фермента в матрице без золота — 103°С, а в матрице с золотом — 96°С. Большинство ферментов разрушаются при 50-60°С, поэтому защитный материал значительно расширяет диапазон рабочих температур.
При добавлении всего 0,5% золота активность фермента увеличилась в девять раз по сравнению с чистым образцом. Материал выдержал 11 циклов нагрева и охлаждения, сохраняя свою активность, что позволяет использовать его многократно.
«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 Андрей Дроздов.
Андрей Дроздов, кандидат химических наук и старший научный сотрудник Научного центра генетики и наук о жизни Научного-технологического университета «Сириус», руководит проектом, направленным на использование золотых наночастиц в медицине. Эти частицы способны поглощать свет с определённой длиной волны, который хорошо проникает через ткани организма. В будущем планируется применять их для фототерапии опухолей. Для этого наночастицы модифицируют так, чтобы они накапливались в поражённой области, а затем нагревают их лазером. При этом необходимо тщательно контролировать температуру нагрева, чтобы избежать ожогов и некроза тканей. Исследование получило поддержку гранта Российского научного фонда и было опубликовано в журнале Chemical Engineering Journal.
Свет помогает управлять не только ферментами, но и электроникой. Как рассказывала интернет-газета «ЖУК», учёные ТГУ сделали шаг в развитии отечественной фотоники и беспроводных технологий. Им удалось преодолеть ключевой недостаток оксида галлия и создать ультрафиолетовый фотодетектор с рекордным быстродействием — отклик сократился до микросекунд без внешнего напряжения за счёт встроенного поля.