Учёные из «Сириуса» и МФТИ создали ферменты, управляемые светом
Материал, позволяющий включать и выключать активность ферментов с помощью инфракрасного света, разработали исследователи из Научно-технологического университета «Сириус» и Московского физико-технического института. Результаты работы опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal.
Ферменты ускоряют химические реакции и применяются в промышленности и медицине, однако большинство из них быстро теряют активность при нагреве. Дистанционное управление ферментом часто требует локального нагрева, что создаёт противоречие: без тепла реакция не запускается, а с теплом фермент разрушается.
Авторы решили проблему, поместив фермент вместе с наночастицами золота в пористую керамическую матрицу из оксида алюминия. Золотые наночастицы размером около 100 нанометров поглощают инфракрасный свет и превращают его в тепло, а керамика защищает фермент от перегрева. В качестве модели использовали карбоангидразу из бычьих эритроцитов: в свободном состоянии она теряет активность при 50 градусах Цельсия, а в составе нового материала продолжала работать даже при 80 градусах. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования России.
Под действием инфракрасного лазера активность фермента в новом материале возрастала до девяти раз по сравнению с контрольным образцом без золотых наночастиц. Эффект зависел от количества наночастиц и длительности облучения, то есть активностью можно управлять дистанционно, включая и выключая свет.
«Пока что мы работали только с модельной системой, поскольку её проще изучать, но эти же принципы могут быть использованы для систем с другими ферментами», — отметил первый автор работы, аспирант МФТИ Павел Сазонов.
«Разработанная методика основывается на новых материалах, которые были разработаны нами в ходе выполнения проекта, и может считаться универсальной. Описанная концепция вдохновлена природой: подобно тому, как в растениях под действием света идёт фотосинтез, в наших системах свет также может ускорять биопроцессы, хотя и используя совсем другие механизмы. Подобные биомиметические подходы всё чаще становятся основной для новых промышленных технологий и находят применение в реальном секторе экономики», — рассказал руководитель проекта, старший научный сотрудник Научного центра генетики и наук о жизни Научно-технологического университета «Сириус» Андрей Дроздов.
Материал выдержал 11 циклов нагрева и охлаждения, сохранив активность фермента, что важно для промышленных биореакторов. Поскольку оксид алюминия одобрен для медицинского применения государственными регуляторами фармацевтики, такие системы в перспективе можно будет использовать в организме, в частности для активации лекарств в нужном месте с помощью света.
