Blog single photo

Elektrificerende wetenschap: nieuwe studie beschrijft geleiding door eiwitten - Phys.org

Een DNA-polymerase - een enzym dat DNA-moleculen uit nucleotide-bouwstenen synthetiseert - bevindt zich tussen een paar elektroden. Binding van nucleotiden door het polymerase veroorzaakt geleidingspieken, die kenmerkend kunnen zijn voor de specifieke moleculen die door het polymerase worden gebonden. diagnostiek, industriële productie en andere gebieden. Credit: Lindsay lab              Temidden van de dierentuin van biomoleculen die essentieel zijn voor het leven, behoren enzymen tot de meest vitale. Zonder deze gespecialiseerde eiwitten, die de snelheid van chemische reacties versnellen, zouden duizenden essentiële levensprocessen, van celgroei en spijsvertering tot ademhaling en zenuwfunctie, onmogelijk zijn.                                                       In nieuw onderzoek onderzoeken Stuart Lindsay en zijn collega's een recent ontdekte prestatie uitgevoerd door enzymen, en hoogstwaarschijnlijk alle eiwitten. Onder de juiste omstandigheden kunnen ze fungeren als uitstekende geleiders van elektriciteit, waardoor ze kunnen worden opgenomen in een reeks elektronische apparaten. "Het is een manier om de verbazingwekkende chemische diversiteit van enzymen rechtstreeks op een computer aan te sluiten," zegt Lindsay. Hoewel de rol van eiwitgeleiding in de natuur een kwestie van mysterie en speculatie blijft, zal het benutten van dit fenomeen voor menselijk gebruik waarschijnlijk nieuwe wegen openen voor biochemische detectieapparatuur, slimme industriële productie en nieuwe innovaties in medische diagnostiek. Misschien wel het meest opwindende, elektrische geleiding door een speciaal type enzym kan een significante vooruitgang betekenen voor DNA-sequencing. Met behulp van een DNA-polymerase, de eigen hoge-resolutie DNA-lezer van de natuur, kan in een dergelijk apparaat mogelijk bliksemsnelle sequenties van gehele menselijke genomen met ongekende nauwkeurigheid tegen zeer lage kosten mogelijk maken. De nieuwe studie "opent de doos van Pandora om te kijken naar de functie van elk enzym in een computerchip." Lopende zaken Auteurs van de nieuwe studie beschrijven de trucs die ze gebruikten om een ​​DNA-polymerase aan een paar elektroden te bevestigen en de resulterende stroompieken geassocieerd met het enzym dat achtereenvolgens de bindende DNA-nucleotiden bindt en vrijgeeft. De succesvolle demonstratie van enzymgeleiding maakt de weg vrij voor het uiteindelijk monteren van arrays van eiwitten op computerchips, waar ze kunnen fungeren als biologische parallelle processoren voor een verscheidenheid aan taken. "Enzymen zijn ongelooflijke moleculen die chemische reacties uitvoeren die anders niet zouden gebeuren", zegt Lindsay. Om een ​​idee te krijgen van de kracht van deze moleculen, zouden bepaalde reacties die essentieel zijn voor levensprocessen, die zich duizenden keren per seconde ontvouwen, millennia nodig hebben in afwezigheid van enzymen.                                                                                      Lindsay leidt het Biosedign Center for Single Molecule Biophysics aan de Arizona State University. Het primaire onderzoek van het centrum is gericht op wetenschap in het kruispunt van moleculaire geneeskunde en nanotechnologie. De bevindingen van zijn groep verschijnen in de komende editie van het tijdschrift ACS Nano. Eiwitten als geleiders Tot voor kort werden eiwitten strikt beschouwd als isolatoren van elektrische stroom. Nu lijkt het erop dat hun ongewone fysieke eigenschappen kunnen leiden tot een toestand waarin ze gevoelig tussen een isolator en een geleider staan. (Een fenomeen dat bekend staat als kwantumkriticiteit kan de kern zijn van hun eigenaardige gedrag.)                                    In eerder onderzoek demonstreerde Lindsay inderdaad een sterke elektrische geleiding door een eiwit dat gevangen werd tussen een paar elektroden. Het nieuwe onderzoek gaat nog een stap verder met het onderzoeken van de eiwitgeleiding. Voorheen werd het eiwit aangesloten via zijn twee zogenaamde actieve sites. Dit zijn de regio's van een eiwit dat geselecteerde moleculen bindt, vaak resulterend in een conformationele verandering in de complexe 3D-structuur van het molecuul en de voltooiing van de gegeven taak van het eiwit. Deze keer werd het biomolecuul gevoelig verbonden met de elektroden door middel van alternatieve bindingsplaatsen op het enzym, waardoor de actieve plaatsen beschikbaar bleven om moleculen te binden en de natuurlijke eiwitfunctie uit te voeren. Nature's Kindle Het enzymmolecuul dat voor de experimenten is gekozen, is een van de belangrijkste voor het leven. Bekend als een DNA-polymerase, bindt dit enzym met opeenvolgende nucleotiden in een lengte van DNA en genereert een complementaire keten van nucleotiden, een voor een. Deze veelzijdige nanomachine wordt gebruikt in levende systemen voor het kopiëren van DNA tijdens celreplicatie en voor het repareren van breuken of andere beledigingen van het DNA. De studie beschrijft technieken voor het aanbrengen van de DNA-polymerase op elektroden om sterke geleidingssignalen te genereren door middel van twee gespecialiseerde bindende chemicaliën die bekend staan ​​als biotine en streptavidine. Toen één elektrode werd gefunctionaliseerd met behulp van deze techniek, werden kleine geleidingspieken gegenereerd terwijl het DNA-polymerase achtereenvolgens elke nucleotide bond en losliet, zoals een grijpende hand die een honkbal vangt en loslaat. Toen beide elektroden waren uitgerust met streptavidine en biotine, werden veel sterkere geleidingssignalen waargenomen die 3-5 keer zo groot waren.                               Stuart Lindsay leidt het Biodesign Center for Single Molecule Biophysics. Hij is ook een Regents Professor en Nadine en Edward Carson professor in de natuur- en scheikunde. Credit: Biodesign Institute op ASU              Het idee om een ​​polymerase te gebruiken voor het uitvoeren van snelle DNA-sequencing is al een tijdje bij Lindsay. Hij had overwogen het te gebruiken in eerdere apparaten die hij had gemaakt waarin delen van DNA werden gevoed door nauwe tunnelverbindingen. "Zou het niet netjes zijn als je een paar elektroden in polymerasen zou kunnen plaatsen omdat de polymerase het DNA grijpt en het door de kruising haalt. Als je een uitleesmechanisme in de polymerase had ingebed, heb je de ideale sequentiemachine ." De nieuwe methode hoopt een andere aanpak te volgen, met behulp van de eigen snelheidlezenexpertise van de polymerase om nucleotiden uit te lezen via geleidingspieken die specifiek zijn voor elk van de 4 DNA-basen. In de praktijk moet een aantal ontwerphindernissen worden overwonnen. De juiste hechting van de polymerase voor elektrische geleiding is een delicate aangelegenheid en omvatte veel vallen en opstaan. Bindingsplaatsen moeten worden ontworpen op specifieke domeinen die de vouwing en functie van eiwitten niet beïnvloeden en er moesten verbindingen worden bedacht om te voorkomen dat het enzym zelf contact maakt met de elektroden. Het gebruik van biotine voor het binden van het molecuul lijkt ook kritisch te zijn voor een hoge geleiding. Biotine die een pocket van de streptavidine bindt, lijkt het elektronentransport diep in het inwendige van eiwitten te drijven, waardoor de geleiding wordt gemaximaliseerd. Het scheiden van geleidbaarheidssignalen die elke opeenvolgende DNA-basis registreren van achtergrondruis en willekeurige bewegingen van de contactpunten voor het enzym is ook een uitdaging gebleken en geavanceerde machine learning-algoritmen worden ingezet om de geleidbaarheidsuitlezingen te verduidelijken. Lindsay gelooft dat veel van deze geluidsproblemen zullen worden opgelost wanneer de polymerasen worden opgenomen in correct geïsoleerde en afgesloten chips die het enzym stevig op zijn plaats houden. Enzymgrenzen Het eerste complete menselijke genoom was een mijlpaal voor wetenschap en geneeskunde. De enorme inspanning van het Human Genome Project kostte 13 jaar arbeid voor een bedrag van een miljard dollar. Nu gaan de sluizen naar een nieuw tijdperk van eiwit-bio-elektronica open, met waarschijnlijk vele verrassingen in petto. Als de resterende technische hindernissen kunnen worden overwonnen, kan DNA-sequentiebepaling worden uitgevoerd met de razendsnelle snelheid van een functioneel DNA-polymerase, of ongeveer honderd nucleotiden per seconde. "Als je 10.000 moleculen op een chip plaatst� is niet zo moeilijk om te doen� je zult een heel genoom in minder dan een uur sequencen," zegt Lindsay                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     Citaat:                                                  Elektrificerende wetenschap: nieuwe studie beschrijft geleiding door eiwitten (2019, 31 oktober)                                                  opgehaald op 1 november 2019                                                  van https://phys.org/news/2019-10-electrifying-science-proteins.html                                                                                                                                       Dit document is auteursrechtelijk beschermd. Afgezien van eerlijke handel ten behoeve van privé-studie of onderzoek, nee                                             deel mag worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt uitsluitend ter informatie aangeboden.                                                                                                                                Lees verder



footer
Top