Die Forscher finden, dass chemische Reaktionen durch Enzyme den Weg zur Entwicklung von energiebetriebenen Geräten ebnen

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Forscher an der Swanson School of Engineering der University of Pittsburgh haben gemeinsam mit Mitarbeitern des Chemie-Departments der Penn State University eine neuartige Methode entdeckt, um die chemischen Reaktionen bestimmter Enzyme zu nutzen, um selbst angetriebene mechanische Bewegungen auszulösen.

Die computergestützte Modellierung, die von Anna C. Balazs, Professor für chemische und Erdölchemie in Pitt, mit dem Post-Doktoranden Henry Shum und Experimenten von Ayusman Sen, Professor für Chemie an der Penn State University, zusammen mit Doktorand Isamar Ortiz entwickelt wurde, zeigten, dass einfache enzymatische Reaktionen komplexe, zeitabhängige Strömungen steuern können. Ihre Forschung, "Konvektive Flussumkehr in selbstangetriebenen Enzymmikropumpen", wurde diese Woche in der Zeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht.

Dr. Balazs sagt: "Die chemische Synthese und Analyse im kleinen Maßstab findet häufig in mit Flüssigkeit gefüllten Kammern statt und erfordert Überwachung und Intervention. Idealerweise würde man es vorziehen, den Prozess so autonom wie möglich zu gestalten." Laut Dr. Sen, der die erste Entdeckung von Enzympumpen gemacht hat: "Diese Pumpen bieten eine präzise Kontrolle der Durchflussrate ohne die Hilfe einer externen Stromquelle und sind in der Lage, als Reaktion auf bestimmte Chemikalien in Lösung zu schalten. Daher ist die Oberfläche gebundene Enzyme können verwendet werden, um Sensorik und Fluidpumpen in einem einzigen energieautarken Mikrogerät zu kombinieren. "

Dr. Shum untersuchte die Faktoren, die Variationen in der Dichte der enzymatischen Reaktionen verursachen, und entwickelte ein mathematisches Modell. Das Modell zeigt, wo die relative Dichte und die relative Diffusivität der Reagenzien und Produkte das Verhalten steuern und es ihm ermöglichen, einen Parameterbereich abzubilden, in dem sich die Flüssigkeit zu verschiedenen Zeiten in verschiedene Richtungen bewegen kann.

"Die Reaktion bewirkt eine Veränderung der Dichte der Flüssigkeit, was zu einem Flüssigkeitsstrom führt", erklärte Dr. Shum. "Es schafft eine chemo-mechanische Transduktion, die ein schönes Beispiel für chemische Energie ist, die mechanische Wirkung erzeugt, ähnlich wie der menschliche Körper chemische Energie von Nahrung in Bewegung umwandelt."

Frau Ortiz 'Experimente am Penn State mit Urease-Enzym stimmen mit den Pitt-Simulationen überein. Im Gegensatz zu anderen Enzymen, die immer Flüssigkeit in die gleiche Richtung pumpten, erzeugte Urease ein unerwartetes Strömungsmuster, wobei sich die Strömungsrichtung über Raum und Zeit änderte. "Es ist wie heiße Luft, die sich über einer brennenden Kerze erhebt", erklärte Ortiz. "Mit Urease ist es so, als ob die Luft um die Kerze für eine begrenzte Zeit absinkt bevor sie aufsteigt."

Noch komplexeres Verhalten könnte aufgebaut werden, indem verschiedene Enzyme an verschiedenen Orten verwendet werden, um eine dynamische Kaskade von Ereignissen zu erzeugen. Das resultierende chemische Reaktionsnetzwerk ist analog zu einem elektrischen System in einem Computer. Da sich jedes Enzym unterschiedlich verhält, könnte eine mehrstufige chemische Reaktion in ein Experiment "programmiert" werden, wobei jeder Schritt einen Fluss erzeugt, wie er durch die Wirkung eines spezifischen Enzyms bestimmt wird.

"Ähnlich wie Disneys" The Sorcerer's Apprentice ", wo man mit den Fingern schnipsen konnte und Mopps und Besen Ihren Raum für Sie säuberten, ist es der Wunsch eines Wissenschaftlers, Systeme zu schaffen, die sich autonom und kontrollierbar verhalten", sagte Dr. Balazs. Frau Ortiz weist darauf hin: "Die energieautarken Enzympumpen könnten als selbstregulierende, stimulierende, aktive Lieferfahrzeuge verwendet werden."

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