Wykorzystanie dźwięku do kontrolowania dźwiękowych reakcji enzymatycznych

Przestrzenno-czasowa regulacja wieloetapowych reakcji enzymatycznych poprzez segmentację jest niezbędna w badaniach naśladujących układy naturalne, takie jak komórki i organelle. Do tej pory naukowcy wykorzystywali liposomy, pęcherzyki lub polimery do rozdzielania różnych enzymów na sekcje, które działają jak „sztuczne organelle”. Teraz jednak zespołowi kierowanemu przez dyrektora Kima Kimona z Centrum Samoasemblacji i Złożoności w Instytucie Nauk Podstawowych w Pohang w Korei Południowej udało się zademonstrować tę samą organizację czasoprzestrzenną reakcji chemicznych przy użyciu jedynie słyszalnych dźwięków, co jest zupełnie inne. z poprzednich metod wymienionych powyżej.

Dźwięk jest szeroko stosowany w fizyce, materiałoznawstwie i innych dziedzinach, ale rzadko jest używany w chemii. W szczególności dźwięk słyszalny (w zakresie 20-20000 Hz) nie był jeszcze wykorzystywany w reakcjach chemicznych ze względu na jego niską energię. Jednak po raz pierwszy tej samej grupie IBS udało się wcześniej zademonstrować czasoprzestrzenną regulację reakcji chemicznych poprzez selektywne rozpuszczanie gazów atmosferycznych za pomocą słyszalnych fal stojących w 2020 roku.

Później uważnie obserwowali ruch roztworu spowodowany słyszalnym dźwiękiem i odkryli, że roztwory rozdzielają się i nie mieszają się ze sobą z powodu obszaru sęka w fali, tak jakby różne warstwy były zatkane niewidoczną ścianą. Nazwali tę słyszalną domenę przejściową roztworu „pseudosegmentacją” i wykorzystali ją do kontrolowania sieci reakcji łańcuchowych opartych na enzymach w roztworze. W tym zjawisku przepływ płynu, który pojawia się w naczyniu wibrującym w górę i w dół przez słyszalny dźwięk, nie miesza się ze sobą wokół węzła falowego, przez co roztwór ulega naturalnemu rozdrobnieniu.

To nowe odkrycie zainspirowało grupę do wykorzystania tego zjawiska do próby czasoprzestrzennej regulacji wieloetapowych reakcji enzymatycznych. Normalnie, zrobienie tego wymagałoby sztucznych kabin stworzonych z powszechnie stosowanych tłuszczów lub polimerów, ale grupa Kima wykazała, że ​​może to być możliwe tylko przy użyciu słyszalnego dźwięku. Aby to osiągnąć, zaprojektowali inteligentny system, wykorzystując fakt, że tlen w powietrzu rozpuszcza się tylko w obszarze antywęzłowym wibrującego roztworu (rys. 1).

Aby przetestować ten system, Kim’s Group przeprowadziła wieloetapową reakcję enzymatyczną składającą się z oksydazy glukozowej (GOx) i peroksydazy chrzanowej (HRP). W pierwszym etapie enzym GOx katalizuje utlenianie glukozy i wytwarza nadtlenek wodoru. Nadtlenek ten jest następnie wykorzystywany przez enzym HRP do zasilania drugiego etapu, który obejmuje utlenienie bezbarwnego barwnika ABTS do rodników ABTS w kolorze cyjan. Naukowcy będą wiedzieć, że ich system działa zgodnie z założeniami, jeśli w niektórych obszarach roztworu pojawi się kolor cyjan.

Zgodnie z oczekiwaniami, autorzy byli w stanie zaobserwować wzory koncentrycznych pierścieni w kolorze cyjan, co potwierdziło, że z powodzeniem kontrolowali czasoprzestrzenną kontrolę reakcji łańcuchowej GOx-HRP za pomocą tylko słyszalnych (ryc. 2). Autorzy wykazują ponadto, że tę metodę można rozszerzyć, aby kontrolować wzrost in situ napędzany redoks lub samoorganizację nanocząstek w odpowiedzi na pH w domenach czasoprzestrzennych obecnych w roztworze. (rys. 3a). Ponadto autorzy przedstawili również przygotowanie hydrożeli nanocząstek, które zawierają tylko samoorganizujące się cząstki w wybranych regionach. Żele te można stosować w platformach wzrostu komórek specyficznych dla regionu (ryc. 3b).

„To nowe podejście wykorzystujące słyszalne zapewni całkowicie nową i niezawodną strategię kontrolowania procesów chemicznych w przewidywalnych, ale przejściowo generowanych pseudoprzedziałach w roztworze”, wyjaśnia dyrektor Kim.