Нанореакторы для каскадных реакций

Живые клетки — это высокосложные синтетические машины: множество многоступенчатых реакций протекают одновременно с невероятной эффективностью и специфичностью. Для такой слаженной работы природа использует различные концепции, одна из важнейших — разделение на компартменты. Ферменты не только пространственно разделены, но и расположены в клетке в определённых местах.

Исследователи из Нидерландов под руководством Яна К. М. ван Хеста и Алана Э. Роуэна разработали подход, копирующий эту идею. Они сконструировали нанореакторы путём контролируемого размещения двух разных ферментов либо в центральном водном резервуаре, либо в пластиковой мембране синтетических наноскопических пузырьков.

В сочетании с третьим ферментом в окружающем растворе эта система позволила одновременно проводить три разные ферментативные реакции без взаимного вмешательства в формате «one-pot».

Принцип работы нанореакторов

Для имитации клеточной среды учёные создали наноскопические пузырьки, окружённые мембраной из специального пластика — блок-сополимера. По структуре он аналогичен липиду, природному строительному блоку клеточных мембран, с гидрофильной «головой» и гидрофобным «хвостом». Такие пузырьки называются полимерсомами.

Мембраны полимерсом были сконструированы так, чтобы пропускать малые молекулы, но быть барьером для крупных. Это позволяет удерживать ферменты внутри полимерсом (в водном резервуаре), в то время как молекулы субстрата или продукта меньшего размера проходят беспрепятственно.

Демонстрация каскада реакций

Чтобы продемонстрировать потенциал своих нанореакторов, исследователи:

  1. Встроили фермент пероксидазу хрена в саму мембрану.
  2. Захватили фермент глюкозооксидазу внутри водного резервуара.
  3. Поместили фермент липазу B в окружающий раствор.

В качестве субстрата использовалась глюкоза с четырьмя присоединёнными ацетильными группами. Каскад реакций протекал следующим образом:

  1. Липаза B в растворе отщепляла ацетильные группы.
  2. Образовавшаяся глюкоза проникала через мембрану, где глюкозооксидаза окисляла её.
  3. В этой реакции образовывалась перекись водорода (H2O2), которую использовала пероксидаза хрена в мембране для окисления субстрата ABTS в его радикальный катион.

Работа опубликована в журнале Angewandte Chemie.