Blog single photo

Elektrifiserende vitenskap: Ny studie beskriver ledning gjennom proteiner - Phys.org

En DNA-polymerase - et enzym som syntetiserer DNA-molekyler fra nukleotidbyggesteiner - er satt mellom et par elektroder. Binding av nukleotider av polymerasen forårsaker konduktansepigger, som kan være karakteristiske for de spesifikke molekylene som er bundet av polymerasen. En slik anordning, i teorien, kan utføre rask, nøyaktig, lav DNA-sekvensering, og kan ha mange tilleggsanvendelser innen medisinsk diagnostikk, industriell produksjon og andre områder. Kreditt: Lindsay lab              Midt i dyrehagen med biomolekyler som er essensielle for livet, er enzymer blant de viktigste. Uten disse spesialiserte proteinene, som fremskynder hastigheten på kjemiske reaksjoner, ville tusenvis av essensielle livsprosesser, fra cellevekst og fordøyelse til respirasjon og nervefunksjon, være umulig.                                                       I ny forskning undersøker Stuart Lindsay og hans kolleger en nylig oppdaget prestasjon utført av enzymer, og mest sannsynlig, alle proteiner. Under riktige forhold kan de fungere som suveren ledere av elektrisitet, slik at de kan integreres i en rekke elektroniske enheter. "Det er en måte å koble det fantastiske kjemiske mangfoldet av enzymer direkte til en datamaskin," sier Lindsay. Mens rollen som proteinkonduktans i naturen fortsatt er et spørsmål om mystikk og spekulasjoner, vil utnyttelse av dette fenomenet for menneskelig bruk sannsynligvis åpne nye veier for biokjemiske sanseapparater, smart industriell produksjon og nye innovasjoner innen medisinsk diagnostikk. Kanskje mest spennende, elektrisk ledelse gjennom en spesiell type enzym kan signalisere et betydelig fremskritt for DNA-sekvensering. Ved å bruke en DNA-polymerase, naturens egen høyoppløselige DNA-leser, i en slik anordning kan potensielt gi rom for lynraske sekvensering av hele menneskelige genom med enestående nøyaktighet til svært lave kostnader. Den nye studien "åpner Pandoras boks med å se på funksjonen til ethvert enzym i en datamaskinbrikke." Aktuellt Forfattere av den nye studien beskriver triksene de brukte for å feste en DNA-polymerase på et par elektroder og de resulterende strømspydene assosiert med enzymet suksessivt binder og frigjør mål-DNA-nukleotider. Den vellykkede demonstrasjonen av enzymledelse baner vei for til slutt å montere matriser av proteiner på datamaskinbrikker, der de kan fungere som biologiske parallelle prosessorer for en rekke oppgaver. "Enzymer er utrolige molekyler som utfører kjemiske reaksjoner som bare ikke ville skjedd ellers," sier Lindsay. For å gi en følelse av kraften til disse molekylene, vil visse reaksjoner som er viktige for livsprosesser, utfolde seg tusenvis av ganger per sekund, kreve årtusener for å oppstå i mangel av enzymer.                                                                                      Lindsay leder Biosedign Center for Single Molecule Biophysics ved Arizona State University. Senterets primære forskning fokuserer på vitenskap ved molekylærmedisin og nanoteknologi. Gruppens funn vises i den kommende utgaven av tidsskriftet ACS Nano. Proteiner som ledere Inntil ganske nylig ble proteiner strengt tatt ansett som isolatorer for elektrisk strøm. Nå, det ser ut til, kan deres uvanlige fysiske egenskaper føre til en tilstand der de føles følsomme mellom en isolator og en leder. (Et fenomen kjent som kvantekritikalitet kan være kjernen i deres særegne oppførsel.)                                    I tidligere undersøkelser viste Lindsay faktisk sterk elektrisk ledningsevne gjennom et protein fanget mellom et par elektroder. Den nye forskningen fører undersøkelsene av proteinkonduktans et skritt videre. Tidligere ble proteinet koblet opp via dets to såkalte aktive steder. Dette er regionene i et protein som binder utvalgte molekyler, noe som ofte resulterer i en konformasjonsendring i molekylets komplekse 3D-struktur og fullføringen av proteinets gitte oppgave. Denne gangen ble biomolekylet følsomt koblet til elektrodene ved hjelp av alternative bindingssteder på enzymet, noe som ga de aktive setene tilgjengelige for å binde molekyler og utføre naturlig proteinfunksjon. Naturens tenne Enzymmolekylet som ble valgt for eksperimentene, er et av de viktigste for livet. Dette enzymet er kjent som en DNA-polymerase og binder seg til suksessive nukleotider i en DNA-lengde og genererer en gratis kjede med nukleotider, én etter én. Dette allsidige nanomachine brukes i levende systemer for kopiering av DNA under cellereplikasjon, samt for å reparere pauser eller andre fornærmelser mot DNA. Studien beskriver teknikker for å feste DNA-polymerasen på elektroder for å generere sterke konduktansesignaler ved hjelp av to spesialiserte bindingsmidler som er kjent som biotin og streptavidin. Når en elektrode ble funksjonalisert ved bruk av denne teknikken ble det generert små konduktanspikes da DNA-polymerasen suksessivt båndet og frigjort hvert nukleotid, som en hånd som fanger og frigjør en baseball. Når begge elektrodene var utstyrt med streptavidin og biotin, ble det observert mye sterkere konduktansesignaler, som var 3-5 ganger så store.                               Stuart Lindsay leder Biodesign Center for Single Molecule Biophysics. Han er også en Regents 'professor og Nadine og Edward Carson professor i fysikk og kjemi. Kreditt: Biodesign Institute ved ASU              Ideen om å utnytte en polymerase for å utføre hurtig DNA-sekvensering har vært hos Lindsay en stund. Han hadde vurdert å bruke det i tidligere apparater han opprettet, hvor deler av DNA ble matet gjennom smale tunnelkryss. "Ville det ikke være pent hvis du kunne plassere et par elektroder inne i polymeraser fordi polymerasen griper DNA og tapper det gjennom krysset. Hvis du hadde en avlesningsmekanisme innebygd i polymerasen, har du den ideelle sekvenseringsmaskinen ." Den nye metoden håper å ta en annen tilnærming ved å bruke polymerasens egen hurtiglesingskompetanse for å gi en avlesning av nukleotider gjennom konduktanspikes som er spesifikke for hver av de 4 DNA-basene. I praksis må en rekke designhindringer overvinnes. Riktig feste av polymerasen for elektrisk ledelse er en delikat anledning og innebar mye prøving og feiling. Bindingssteder må konstrueres på spesifikke domener som ikke påvirker proteinfolding og funksjon, og det måtte utarbeides forbindelser for å forhindre at enzymet i seg kommer i kontakt med elektrodene. Bruken av biotin for binding av molekylet ser også ut til å være kritisk for høy konduktans. Biotin som binder en lomme av streptavidinet ser ut til å bidra til å drive elektrontransport dypt inn i proteinets indre, og derved maksimere konduktansen. Å separere konduktansesignaler som registrerer hver påfølgende DNA-base fra bakgrunnsstøy og tilfeldige bevegelser av kontaktpunktene for enzymet, har også vist seg at utfordrende og sofistikerte maskinlæringsalgoritmer blir brakt for å tydeliggjøre konduktansavlesningene. Lindsay tror mange av disse støyproblemene vil bli løst når polymerasene blir inkorporert i riktig isolerte og forseglede flis som holder enzymet stivt på plass. Enzymfronter Det første komplette menneskelige genomet var en milepæl for vitenskap og medisin. Den herculean innsatsen fra Human Genome Project konsumerte 13 års arbeidskraft til en kostnad av en milliard dollar. Nå kan flomportene til en ny epoke med proteinelektronikk åpne, med mange overraskelser som sannsynligvis er i vente. Hvis gjenværende tekniske hindringer kan overvinnes, kan DNA-sekvensering utføres med knekkhastigheten til en funksjonell DNA-polymerase, eller rundt hundre nukleotider per sekund. "Hvis du legger 10.000 molekyler på en brikke, ikke en vanskelig ting å gjøre, vil du sekvensere et helt genom på under en time," sier Lindsay                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     Sitering:                                                  Elektrifiserende vitenskap: Ny studie beskriver ledning gjennom proteiner (2019, 31. oktober)                                                  hentet 1. november 2019                                                  fra https://phys.org/news/2019-10-electrifying-science-proteins.html                                                                                                                                       Dette dokumentet er underlagt copyright. Bortsett fra enhver rettferdig omgang for privat studier eller forskning, nei                                             del kan reproduseres uten skriftlig tillatelse. Innholdet er kun gitt til informasjonsformål.                                                                                                                                Les mer



footer
Top