Исследователи создали минимальные нанозимы с способностью захвата углекислого газа

Исследователи из Автономного университета Барселоны (UAB) разработали минимальные нанозимы, способные захватывать углекислый газ (CO₂), выделяемый в промышленных процессах. Эти искусственные молекулярные структуры, применимые и для других процессов экологического восстановления, образованы пептидами всего из семи аминокислот.

Эти новые молекулы также могут действовать как металлоферменты, что открывает новые возможности в биотехнологических исследованиях. Исследование также вносит новый вклад в понимание происхождения каталитической активности в начале жизни.

Исследование под руководством Сальвадора Вентуры с первым автором Сузанной Наварро было недавно опубликовано в ACS Nano. Оба исследователя работают в Институте биотехнологии и биомедицины и на кафедре биохимии и молекулярной биологии UAB и сотрудничали в этом исследовании с учёными с кафедры химии UAB и исследовательского центра bioGUNE.

В 2018 году исследователям UAB удалось создать очень короткие молекулы, способные к самосборке, вдохновлённые естественной способностью амилоидных фибрилл к самоорганизации и основанные на специфической последовательности прионных белков. Эти искусственные амилоиды обладают каталитической активностью и имеют преимущества, такие как модульность, гибкость, стабильность и возможность повторного использования, по сравнению с природными ферментами.

Теперь исследователи обнаружили их способность эффективно связываться с ионами металлов и действовать как элементы хранения металлов и металлоферментов.

«Эти пептиды были особенными, поскольку не содержали типичных аминокислот, таких как гистидин, который часто считается необходимым для координации ионов металлов в ферментах и который считался необходимым для каталитической активности. Напротив, они были обогащены остатками тирозина — элемента, который, хотя и менее известен в этом контексте, также может обладать уникальной способностью связываться с ионами металлов, если находится в правильном структурном контексте. Именно эту способность тирозина мы использовали для создания наших нанозимов», — пояснил Вентура.

Результаты могут быть применены в нескольких областях:

1. Нанозимы стабильны и могут использоваться для восстановления окружающей среды, в процессах очистки сточных вод или загрязнённых почв, благодаря их заметной способности секвестрировать ионы металлов.
2. Они могут функционировать как металлоферменты, способные катализировать реакции в условиях, в которых современные, гораздо менее стабильные ферменты были бы неспособны действовать. Это открывает новые возможности в биотехнологических исследованиях, например, для катализа реакций при экстремальных температурах и значениях pH.

На основе разработанных нанозимов исследователи убеждены, что им удалось создать минималистичный вариант фермента карбоангидразы, способный эффективно улавливать CO₂, выделяемый парниковыми газами, и при гораздо более низкой стоимости производства, чем природные ферменты.

Новый взгляд на древние ферменты

Для получения этих новых нанозимов исследователи выдвинули гипотезу, что каталитическая активность в начале жизни могла возникнуть в результате самосборки коротких пептидов низкой сложности в структуры, подобные амилоидам, которые действовали как первобытные древние ферменты.

«Демонстрация того, что эти молекулы обладают каталитическим действием без необходимости в обычной координации на основе гистидина, представляет собой значительное изменение в нашем понимании происхождения каталитической активности в начале жизни. Теперь мы знаем, что этой активности можно достичь, если древние пептиды содержат тирозин. Следовательно, мы предполагаем, что весьма вероятно, что древние ферменты на основе амилоидов также использовали эту вторую аминокислоту в своих химических реакциях», — заключает Вентура.

В исследовании учёные сочетали эксперименты и симуляции, используя различные методы, такие как спектрофотометрия, флуоресценция, электронная микроскопия, электронная дифракция и передовое компьютерное моделирование.