Они были вдохновлены исследовать, как наночастицы могут получить биологические функции с помощью ферментов, которые управляют хвостами сперматозоидов, которые превращают сахар в лактат и энергию так быстро, что сперматозоиды могут двигаться со скоростью пять длин тела в секунду.
«Сперма имеет высокоэффективную систему производства энергии», – сказал ведущий автор исследования Чинацу Мукаи, научный сотрудник постдокторантуры. В лаборатории Института Бейкера Алекса Трэвиса, доцента репродуктивной биологии, Мукаи и другие изучали метаболизм и функцию сперматозоидов. Трэвису пришла в голову идея имитировать способ прикрепления ферментов хвоста сперматозоида к твердой опоре в попытке добиться такой же эффективности на небольших устройствах, созданных руками человека.
В большинстве клеток большинство ферментов, которые осуществляют процесс превращения сахара в энергию, называемый гликолизом, плавают вокруг, собирая молекулы, над которыми они работают, по мере их прохождения. Но в сперме ферменты, осуществляющие гликолиз, имеют особые области, которые прикрепляют ферменты к твердому белковому каркасу, который находится прямо под мембраной, покрывающей клетку, и проходит большую часть длины хвоста.
«Сахар проходит через мембрану, поражает ферменты непосредственно под ней, а затем обрабатывается и передается по линии, обеспечивая производство энергии с высокой пропускной способностью», – сказал Трэвис.
Система, разработанная Мукаи, Трэвисом и их командой, работает примерно так же: молекула сахара обрабатывается от начала до конца ферментами, прикрепленными к наночастицам. По сравнению с ферментами, плавающими в растворе, привязанная ферментная система более эффективно перерабатывала глюкозу в конечный продукт, лактат, оставляя более низкие концентрации промежуточных продуктов, чем свободно плавающая ферментная система. Получение 10-ступенчатого пути к функционированию со всеми привязанными компонентами является экспоненциальным увеличением по сравнению с предыдущими исследованиями, в которых сообщалось максимум о двух-трех шагах.
По словам Трэвиса, если работа может быть улучшена до чистого производителя энергии, это может иметь ряд практических применений. В сперме энергия используется для плавания и передачи сигналов, позволяющих оплодотворить яйцеклетку, но в нанобиотехнологиях энергия может использоваться для питания устройств, которые выполняют различные функции.
"Представьте себе устройства размером с кровяные клетки, в каждом из которых находится химиотерапевтический препарат. Если бы они были оснащены таким двигателем, то устройства могли бы вырабатывать собственную энергию из сахара в кровотоке. «Используя молекулярные насосы, питаемые этой энергией, устройства могут выбрасывать этот груз лекарств с определенной скоростью и особенно там, где это необходимо, например, на месте солидной опухоли», – сказал Трэвис. Его команда уже применила концепцию связанных ферментов в устройстве для обнаружения признаков инсульта или черепно-мозговой травмы в образцах крови, технология, которую он и его лаборатория планируют коммерциализировать.
По словам Мукаи, это может даже стать шагом на пути к реализации потенциала искусственных клеток.
«Невозможно создать искусственную клетку без метаболических путей, так что это прогресс в этом направлении», – сказала она.
Исследование было поддержано грантом Pioneer от Национального института здоровья и опубликовано в журнале Angewandte Chemie Nov. 30.