El control de la velocitat dels motors enzimàtics apropa l’ús de nanorobots a la seva aplicació en nanomedicina

Un treball del Centre Nacional d’Investigacions Cardiovasculars (CNIC), la Universitat Complutense de Madrid (UCM), la Universitat de Girona (UdG) i l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC), i altres centres internacionals, resol un dels aspectes fonamentals per a l’ús correcte dels nanorrobots basats en lipases.

Es tracta d’un enzim que s’usa en l’organisme per disgregar els greixos dels aliments de manera que es puguin absorbir.

Read more…

Fig. 1

Fig. 1. a) Seguiment de la trajectòria del nanomotor enzimàtic preparat amb la lipasa en la conformació tancada i immobilitzada sense orientació controlada sobre la superfície de la nanopartícula de sílice; b) Seguiment de la trajectòria del nanomotor enzimàtic preparat amb la lipasa en conformació oberta i immobilitzada amb orientació controlada sobre la superfície de la nanopartícula de sílice. La foto interna representa imatge dels nanomotors visualitzats per microscòpia electrònica d’escombrat (SEM). Font: Enzyme Conformation Influences the Performance of Lipase-powered Nanomotors. Angewandte Chemie International Edition.

 

Un estudi coordinat per Marco Filice, de la Universitat de Microscòpia i Imatge Dinàmica del CNIC pertinent a la ICTS ReDIB i investigador del Departament de Química en Ciències Farmacèutiques, Facultat de Farmàcia de la UCM, i pel Professor d’Investigació ICREA Samuel Sánchez de l’IBEC, ha estat publicat a la revista Angewandte Chemie International Edition. L´estudi proporciona una eina de modulació dels motors alimentats amb enzims, ampliant així les seves possibles aplicacions tant en l’àmbit biomèdic com en el ambiental.

Inspirats per com els microorganismes poden nadar en mitjans complexos, respondre a l’entorn i organitzar-se autònomament, en les últimes dues dècades, els científics han aconseguit replicar de forma artificial aquests petits nedadors des de l’escala macro-micro fins a l’escala nanomètrica, trobant fins i tot nombroses aplicacions com la remediació ambiental i la biomedicina.

De fet, senyala Samuel Sánchez, a causa de les seves singulars característiques (rapidesa de moviment, gran capacitat de carca i facilitat de funcionalització de la superfície), “els recents avanços en la investigació en aquest camp han convertit els micro/nanomotors en instruments prometedors per a solucionar molts problemes biomèdics. Però, un dels elements clau per a la correcta aplicació d’aquests nanorrobots resideix en la correcta elecció del ‘motor’ que propulsa aquests nanorrobots”, explica aquest investigador.

Per a això, el grup de l’IBEC ha sigut pioner des de fa 5 anys en l’ús d’enzims per generar la força de propulsió dels nanomotors. Des de llavors, comenta Sánchez, “els nanomotors bio-catalítics – basats en la conversió d’energia química en la força mecànica utilitzant agents biològics com els enzims- han despertat molt interès sent la ureasa, catalasa o glucosa oxidasa de les més utilitzades.

Tot i això, malgrat els avenços aconseguits, encara queden alguns aspectes fonamentals per aclarir, per exemple, com pot el mecanisme enzimàtic influir sobre el moviment i com poder controlar aquests mecanismes segons les diferents necessitats.

Per contestar a aquesta pregunta, les lipases -de les quals la manipulació estructural i immobilització orientada sobre la superfície de diferents nanomaterials representa una de les àrees on el grup CNIC és expert- són un model excel·lent per a aquest estudi a causa del seu peculiar mecanisme catalític que comporta grans canvis conformacionals entre una configuració oberta/activa i una tancada/inactiva.

Per tant, assegura Marco Filice, “a la nostra investigació hem estudiat l’efecte de la modulació de l’activitat catalítica d’una lipasa com a element propulsor d’una nanopartícula de sílice”.

A més dels canvis de la conformació tridimensional de l’enzim, un altre element fonamental que s’ha investigat és com una orientació controlada de l’enzim durant la seva immobilització sobre la superfície del nanomotor afecta la catàlisi, i, per tant, a la propulsió dels nanorrobots.

Els investigadors expliquen que el desenvolupament experimental s’ha basat en la modificació química selectiva de la superfície de nanopartícules de sílice per a generar de manera específica tres situacions molt diferents i que promogueren orientacions i conformacions diferents de la lipasa durant la seva immobilització: 1) configuració oberta i orientació controlada, 2) configuració tancada i orientació casual i 3) situació entremitjos entre 1 i 2.

Aquest equip va analitzar els tres tipus de nanorrobots per tècniques espectroscòpiques, anàlisi de diversos paràmetres catalítics mitjançant avaluació de l’activitat enzimàtica, simulacions per Dinàmica Molecular (realitzades per l’equip de la Prof. Silvia Osuna (UdG)) i a través del seguiment directe de les trajectòries de cada nanomotor per tècnica de microscòpia. “Els resultats han demostrat com l’adquisició de la conformació oberta de l’enzim juntament amb la seva immobilització orientada són paràmetres crítics per aconseguir el control i la modulació de la propulsió”, afegeixen els autors de l’article.

Article de referència: Wang, L., Marciello, M., Estévez-Gay, M., Soto Rodriguez, P. E. D., Luengo Morato, Y., Iglesias-Fernández, J., Huang, X., Osuna, S., Filice, M., Sánchez, S. (2020). Enzyme Conformation Influences the Performance of Lipase-powered Nanomotors. Angewandte Chemie International Edition. doi:10.1002/anie.202008339

Per a més informació o sol·licitar entrevistes:
Àngels López: Coordinadora de Mitjans a l’IBEC: alopez@ibecbarcelona.eu