Schnelle, effiziente Spermienschwänze inspirieren die Nanobiotechnologie

Anonim

Genau wie Arbeiter in einer Fabrik können Enzyme ein Endprodukt effizienter herstellen, wenn sie an einer Stelle zusammenkleben und den Rohstoff vom Enzym zum Enzym, Fließband-Art, weitergeben. Wissenschaftler des Cornell's Baker Institute for Animal Health, das erste Team, das einen 10-stufigen biologischen Weg mit allen an Nanopartikeln angebundenen Enzymen nachbildet.

Sie wurden inspiriert zu untersuchen, wie Nanopartikel durch die Enzyme, die die Spermienschwänze antreiben, so schnell in Sperma umgewandelt werden können, dass sich die Spermien mit fünf Körperlängen pro Sekunde fortbewegen können.

"Spermien haben ein hocheffizientes Energieerzeugungssystem", sagte der Hauptautor der Studie, Chinatsu Mukai, ein Postdoktorand. Im Labor des Baker Institute von Alex Travis, Professor für Reproduktionsbiologie, haben Mukai und andere den Stoffwechsel und die Spermienfunktion untersucht. Travis hatte die Idee, die Art und Weise nachzuahmen, in der Spermien-Schwanz-Enzyme an einen festen Träger gebunden sind, um die gleiche Effizienz auf kleinen, von Menschenhand hergestellten Geräten zu erreichen. Die Studie wurde von einem Pioneer Grant der National Institutes of Health unterstützt und in der Zeitschrift Angewandte Chemie am 30. November veröffentlicht.

In den meisten Zellen schweben die meisten Enzyme, die Zucker in Energie umwandeln, genannt Glykolyse, umher und nehmen die Moleküle auf, an denen sie arbeiten, während sie passieren. Aber im Sperma haben die Enzyme, die Glykolyse durchführen, spezielle Regionen, die die Enzyme an ein festes Proteingerüst binden, das direkt unter der Membran liegt, die die Zelle bedeckt und die meiste Länge des Schwanzes durchläuft.

"Zucker dringt durch die Membran ein, trifft direkt darunter auf die Enzyme und wird dann verarbeitet und über die Leitung geleitet, wodurch die Energieproduktion in einem hohen Durchsatz erfolgt", sagte Travis.

Das System Mukai, Travis und ihr Team entwickelten Arbeiten auf die gleiche Art und Weise: Das Zuckermolekül wird von Anfang bis Ende von an Nanopartikeln gebundenen Enzymen verarbeitet. Im Vergleich zu Enzymen, die frei in Lösung schwimmen, verarbeitete das gebundene Enzymsystem Glukose effizienter zum Endprodukt, Lactat, und hinterließ niedrigere Konzentrationen an Zwischenprodukten als das frei schwebende Enzymsystem. Ein 10-stufiger Weg, um mit allen angebundenen Komponenten zu funktionieren, ist ein exponentieller Anstieg gegenüber früheren Studien, die maximal zwei bis drei Schritte berichteten.

Wenn die Arbeit verbessert werden könnte, um ein Nettoerzeuger von Energie zu sein, könnte es eine Reihe von praktischen Anwendungen geben, sagte Travis. In Spermien wird die Energie für das Schwimmen und die Signalübertragung verwendet, die es ermöglicht, ein Ei zu befruchten, aber in der Nanobiotechnologie könnte die Energie verwendet werden, um Geräte anzutreiben, die eine Vielzahl von Arbeiten ausführen.

"Stellen Sie sich Geräte von der Größe von Blutzellen vor, die jeweils ein Chemotherapeutikum enthalten. Wenn sie mit einem solchen Motor ausgestattet sind, könnten die Geräte ihre eigene Energie aus Zucker im Blutstrom erzeugen. Mit Hilfe dieser Energie könnten die Geräte austreten Diese Drogenladung mit definierten Raten und genau dort, wo sie benötigt wird, etwa an der Stelle eines soliden Tumors ", sagte Travis. Sein Team hat bereits das Konzept der angebundenen Enzyme in einem Gerät angewendet, um Anzeichen von Schlaganfällen oder traumatischen Hirnverletzungen in Blutproben zu erkennen, eine Technologie, die er und sein Labor vermarkten wollen.

Es könnte sogar einen Schritt näher zur Realisierung des Potenzials künstlicher Zellen bedeuten, sagte Mukai.

"Sie können keine künstliche Zelle ohne Stoffwechselwege herstellen, also ist das ein Fortschritt in dieser Richtung", sagte sie.

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