В зоопарке биомолекул, необходимых для жизни, ферменты являются одними из самых важных. Без этих специализированных белков, которые ускоряют скорость химических реакций, тысячи важнейших жизненных процессов, от роста клеток и пищеварения до дыхания и нервной деятельности, были бы невозможны..
В новом исследовании Стюарт Линдсей и его коллеги изучают недавно обнаруженную способность ферментов и, скорее всего, всех белков. При надлежащих условиях они могут действовать как превосходные проводники электричества, что позволяет включать их в ряд электронных устройств.«Это способ подключить удивительное химическое разнообразие ферментов непосредственно к компьютеру», - говорит Линдсей.
Хотя роль проводимости белка в природе остается предметом тайн и спекуляций, использование этого явления для человека, вероятно, откроет новые возможности для биохимических сенсорных устройств, интеллектуального промышленного производства и новых инноваций в медицинской диагностике.
Возможно, самое интересное, электрическая проводимость через особый тип фермента может сигнализировать о значительном прогрессе в секвенировании ДНК. Использование ДНК-полимеразы, природного ридера ДНК с высоким разрешением, в таком устройстве потенциально может обеспечить молниеносное секвенирование целых человеческих геномов с беспрецедентной точностью при очень низких затратах. Новое исследование «открывает ящик Пандоры для изучения функции любого фермента в компьютерном чипе».
Текущие дела
Авторы нового исследования описывают уловки, которые они использовали для прикрепления ДНК-полимеразы к паре электродов, и результирующие пики тока, связанные с последовательным связыванием и высвобождением ферментом целевых нуклеотидов ДНК. Успешная демонстрация проводимости ферментов прокладывает путь к тому, чтобы в конечном итоге установить массивы белков на компьютерные чипы, где они могут действовать как биологические параллельные процессоры для множества задач.
«Ферменты - это невероятные молекулы, которые осуществляют химические реакции, которые иначе просто не произошли бы», - говорит Линдсей. Чтобы дать представление о силе этих молекул, некоторые реакции, необходимые для жизненных процессов, разворачивающиеся тысячи раз в секунду, потребовали бы тысячелетий для протекания в отсутствие ферментов.
Линдси руководит Центром биофизики одиночных молекул Biosedign в Университете штата Аризона. Основные исследования центра сосредоточены на науке на стыке молекулярной медицины и нанотехнологий.
Выводы его группы появятся в следующем выпуске журнала ACS Nano.
Белки как проводники
До недавнего времени белки рассматривались строго как изоляторы электрического тока. Теперь кажется, что их необычные физические свойства могут привести к состоянию, в котором они чувствительно балансируют между изолятором и проводником. (Явление, известное как квантовая критичность, может лежать в основе их своеобразного поведения.)
Действительно, в более ранних исследованиях Линдси продемонстрировала сильную электрическую проводимость через белок, захваченный между парой электродов. Новое исследование продвинуло исследования проводимости белка на шаг вперед. Ранее белок был связан через два так называемых активных центра. Это области белка, которые связывают выбранные молекулы, что часто приводит к конформационным изменениям в сложной трехмерной структуре молекулы и выполнению поставленной перед белком задачи.
На этот раз биомолекула была чувствительно подключена к электродам с помощью альтернативных участков связывания на ферменте, оставляя активные участки доступными для связывания молекул и выполнения естественной белковой функции.
Nature's Kindle
Выбранная для экспериментов молекула фермента является одной из важнейших для жизни. Этот фермент, известный как ДНК-полимераза, связывается с последовательными нуклеотидами в ДНК и создает комплементарную цепь нуклеотидов один за другим. Эта универсальная наномашина используется в живых системах для копирования ДНК во время репликации клеток, а также для восстановления разрывов или других повреждений ДНК.
В исследовании описываются методы прикрепления ДНК-полимеразы к электродам, чтобы генерировать сильные сигналы проводимости с помощью двух специальных связывающих химических веществ, известных как биотин и стрептавидин. Когда один электрод был функционализирован с использованием этой техники, генерировались небольшие всплески проводимости, поскольку ДНК-полимераза последовательно связывала и высвобождала каждый нуклеотид, подобно хватающей руке, ловящей и отпускающей бейсбольный мяч. Когда оба электрода были снабжены стрептавидином и биотином, наблюдались гораздо более сильные сигналы проводимости, размеры которых были в 3-5 раз выше.
Идея использовать полимеразу для проведения быстрого секвенирования ДНК была у Линдси уже некоторое время. Он рассматривал возможность использования его в созданных им ранее устройствах, в которых участки ДНК пропускались через узкие туннельные соединения. «Было бы здорово, если бы вы могли поместить пару электродов внутрь полимеразы, потому что полимераза захватывает ДНК и проталкивает ее через соединение. Если бы у вас был встроенный в полимеразу механизм считывания, у вас была бы идеальная машина для секвенирования.."
Новый метод надеется использовать другой подход, используя собственный опыт полимеразы в области быстрого считывания, чтобы обеспечить считывание нуклеотидов через всплески проводимости, характерные для каждого из 4 оснований ДНК. На практике необходимо преодолеть ряд дизайнерских препятствий. Надлежащее присоединение полимеразы к электрической проводимости - дело тонкое, требующее множества проб и ошибок. Сайты связывания должны быть спроектированы в определенных доменах, которые не влияют на укладку и функцию белка, и должны быть разработаны соединения, чтобы предотвратить контакт самого фермента с электродами. Использование биотина для связывания молекулы также имеет решающее значение для высокой проводимости. Биотин, связывающий карман стрептавидина, по-видимому, помогает управлять транспортом электронов глубоко внутрь белка, тем самым максимизируя проводимость..
Разделение сигналов проводимости, регистрирующих каждое последующее основание ДНК, от фонового шума и случайных движений точек контакта для фермента также оказалось сложной задачей, и сложные алгоритмы машинного обучения используются для уточнения показаний проводимости. Линдсей считает, что многие из этих проблем с шумом будут решены, когда полимеразы будут включены в должным образом изолированные и запечатанные чипы, жестко удерживающие фермент на месте.
Ферментные рубежи
Первый полный геном человека стал важной вехой для науки и медицины. Геркулесовые усилия проекта «Геном человека» потребовали 13 лет труда и стоили миллиард долларов. Теперь, возможно, открываются шлюзы в новую эру белковой биоэлектроники, и, вероятно, нас ждет много сюрпризов.
Если удастся преодолеть оставшиеся технические препятствия, секвенирование ДНК можно будет проводить с головокружительной скоростью функциональной ДНК-полимеразы, или около сотни нуклеотидов в секунду. «Если вы поместите 10 000 молекул на чип - это несложно - вы секвенируете весь геном менее чем за час», - говорит Линдси.