|
Пространственно-временная регуляция химических реакций
|
|
|
|
Пространственно-временная регуляция многоступенчатых ферментативных реакций посредством компартментализации необходима в исследованиях, имитирующих природные системы, такие как клетки и органеллы. До сих пор ученые использовали липосомы, везикулы или полимерсомы для физического разделения различных ферментов на отсеки, которые функционируют как «искусственные органеллы». Но теперь группа под руководством директора КИМ Кимуна из Центра самосборки и сложности Института фундаментальных наук в Пхохане, Южная Корея, успешно продемонстрировала такое же пространственно-временное регулирование химических реакций, используя только слышимый звук, который полностью отличается от обычного, предыдущие методы, упомянутые выше. Их исследование опубликовано в Nature Communications.
|
|
|
|
Звук широко используется в физике, материаловедении и других областях, но редко используется в химии. В частности, слышимый звук (в диапазоне 20–20 000 Гц) до сих пор не использовался в химических реакциях из-за его малой энергии. Однако впервые та же группа из IBS еще в 2020 году успешно продемонстрировала пространственно-временную регуляцию химических реакций посредством избирательного растворения атмосферных газов с помощью стоячих волн, генерируемых слышимым звуком. Позже они внимательно наблюдали за движением раствора, вызванным слышимым звуком, и обнаружили, что раствор разделялся и не смешивался вместе из-за узловой области волны, как будто разные слои были заблокированы невидимой стеной. Они назвали эту переходную область раствора, создаваемую слышимым звуком, псевдокомпартментализацией, и использовали его для управления сетью каскадных реакций на основе ферментов в растворе. В этом явлении потоки жидкости, которые индуцируются в контейнере, вибрирующем вверх и вниз от слышимого звука, не смешиваются друг с другом вокруг узла волны, и поэтому решение становится естественным образом разделенным на части.
|
|
|
Это новое открытие вдохновило группу использовать это явление для попытки пространственно-временной регуляции многоступенчатых ферментативных реакций. Обычно для этого требуется создание искусственных компартментов с использованием липидов или полимеров, но группа Ким показала, что это возможно, используя только слышимый звук. Для этого они разработали умную систему, воспользовавшись тем фактом, что кислород в воздухе растворяется только в пучности вибрирующего раствора. Чтобы протестировать эту систему, группа Ким провела многоступенчатую ферментативную реакцию, состоящую из глюкозооксидазы (GOx) и пероксидазы хрена (HRP). На первом этапе фермент GOx катализирует окисление глюкозы и производит перекись водорода. Этот пероксид затем используется ферментом HRP для подпитки второго этапа, который включает окисление бесцветного красителя ABTS в радикал ABTS голубого цвета. Исследователи знали бы, что их система работает должным образом, если бы в определенных областях раствора появлялся голубой цвет.
|
|
|
|
Как и ожидалось, авторы смогли визуально наблюдать узоры концентрических колец голубого цвета, что подтвердило, что им удалось пространственно-временной контроль каскадной реакции GOx-HRP с использованием только слышимого звука. Авторы также показали, что этот метод может быть расширен для контроля окислительно-восстановительного роста in situ или самосборки наночастиц в зависимости от pH в пространственно-временных доменах, присутствующих в растворе. Кроме того, авторы также представили приготовление гидрогелей с рисунком наночастиц, которые содержали самособирающиеся частицы только в выбранных областях. Эти гели можно использовать в платформах для роста клеток, специфичных для региона. «Этот новый подход с использованием слышимого звука обеспечит совершенно новую и надежную стратегию управления химическими процессами в предсказуемых, но временно генерируемых псевдокомпартментах в растворе», — объясняет директор Ким.
|
|
|
|
Источник
|
