مولکول های آنزیمی به عنوان نانوموتورها
چکیده
با استفاده از اسپکتروسکوپی همبستگی فلوئورسنس، ما نشان دادیم که حرکات انتشاری مولکول های آنزیمی کاتالاز در حضور سوبسترا، هیدروژن پروکسید، در یک الگوی وابسته به غلظت افزایش پیدا می کند. با کاربرد یک وسیله ی میکروفلوئیدی برای ایجاد یک شیب غلظتی از سوبسترا، ما نشان دادیم که هم آنزیم کاتالاز و هم اورئاز، به سمت مناطقی با غلظت سوبسترایی بالاتر منتشر می شوند، که یک شکلی از کموتاکسی در مقیاس مولکولی می باشد. با استفاده از گلوکز اکسیداز و گلوکز برای ایجاد یک شیب هیدروژن پروکسیدی، ما مهاجرت کاتالاز به سمت گلوکز اکسیداز را نشان دادیم، بنابراین نشان دادیم که ارتباطات درونی شیمایی آنزیم ها می تواند با هم ترسیم شود.
مقدمه
موتورهای بیولوژیکی مبتنی بر آنزیم، عملکردهای سلولی خاصی مانند سنتز DNA و انتقال وزیکولی را با دقت و اثربخشی بالا اجرا می کنند، در یک سطح بالاتر، موتورهای بیولوژیکی همچنین می توانند حرکت جهت دار (تاکسیس) سلول ها به سمت مواد شیمیایی خاص یا نور را تسهیل کنند. در همه ی موارد، حرکت ها از به دام انداختن انرژی شیمیایی آزاد شده از تبدیل آنزیمی سوبستراها ناشی می شوند. یک مساله ی اساسی که ایجاد می شود این است که آیا یک مولکول آنزیمی واحد می تواند نیروی مکانیکی کافی را از طریق تبدیل سوبسترا ایجاد کند که موجب حرکتش شود و مهم تر اینکه آیا این حرکت می تواند از طریق تحمیل یک شیب در غلظت سوبسترا جهت دار شود یا نه، یک موقعیتی که هم سو با کموتاکسی کل سلول می باشد. پاسخ های مثبت به این سوالات دارای مفاهیم مهمی در حوزه هایی مانند انتقال بیولوژیکی تا طراحی نیروهای آنزیمی زیرکانه دارند، توقع می رود که موتورهای میکرو، نانو و خودکار، کاربردهایی در تجمع پایین – بالا ساختارها، شکل گیری الگو، انتقال بار در موقعیت های خاص، گردش گیرنده ها و عملکردهای مرتبط داشته باشند. اگرچه اثبات شده است که حرکت در مقیاس نانو و میکرو می تواند از طریق القا تبدیل کاتالیز انرژی شیمیایی به نیروهای مکانیکی صورت بگیرد، اما استفاده از آنزیم هایی مانند ترانس دیوسرهای شیمیومکانیکی می تواند به طور گسترده ای روش های در دسترس برای نیرومند کردن نانو و میکروموتورها را گسترش دهد که به دلیل تنوع و اثربخشی زیاد آنزیم ها می باشد. ما قبلا نشان داده بودیم که ضریب توزیع مولکول های اورئاز در حضور سوبستراهایشان، یعنی اوره، در یک الگوی وابسته به غلظت، افزایش پیدا می کند. اینجا، ما نشان دادیم که (a) جنبش منتشر مولکول های کاتالاز، با افزایش غلظت سوبسترا افزایش پیدا می کند و (b) در حضور یک شیب غلطتی سوبسترا، هر دو آنزیم به سمت مناطق دارای غلظت آنزیمی بالاتر منتشر می شوند. به علاوه، با کاربرد یک آبشار دو آنزیمی، ما نشان دادیم که آنزیم هایی که از نظر شیمیایی به هم مرتبط می باشند می توانند با هم ترسیم شوند.
ABSTRACT
Using fluorescence correlation spectroscopy, we show that the diffusive movements of catalase enzyme molecules increase in the presence of the substrate, hydrogen peroxide, in a concentration-dependent manner. Employing a microfluidic device to generate a substrate concentration gradient, we show that both catalase and urease enzyme molecules spread toward areas of higher substrate concentration, a form of chemotaxis at the molecular scale. Using glucose oxidase and glucose to generate a hydrogen peroxide gradient, we induce the migration of catalase toward glucose oxidase, thereby showing that chemically interconnected enzymes can be drawn together.
INTRODUCTION
Enzyme-based biological motors perform specific cellular functions, such as DNA synthesis and vesicular transport, with great precision and efficiency.1−3 On a higher level, biological motors also facilitate the directed movement (taxis) of cells toward specific chemicals or light.4,5 In all cases, the movement arises from harnessing chemical free energy released through enzymatic turnover of substrates. A fundamental question that arises is whether a single enzyme molecule can generate sufficient mechanical force through substrate turnover to cause its own movement and, more significantly, whether the movement can become directional through the imposition of a gradient in substrate concentration, a situation that parallels the chemotaxis of whole cells. Positive answers to these questions have important implications in areas ranging from biological transport to the design of “intelligent,” enzyme-powered, autonomous nano- and micromotors, which are expected to find applications in bottom-up assembly of structures, pattern formation, cargo delivery at specific locations, roving sensors, and related functions.6−8 While it has been demonstrated that motion at the nano/ microscale can be accomplished through catalysis-induced conversion of chemical energy to mechanical forces,7−15 the use of enzymes as chemomechanical transducers would vastly expand the available methods for powering nano- and micromotors because of enzymes’ great diversity and efficiency. We have previously shown that the diffusion coefficient of urease molecules increases in the presence of its substrate, urea, in a concentration-dependent manner.16 Here, we show that (a) the diffusive movement of catalase molecules also increases with increasing substrate concentration and (b) in the presence of a substrate concentration gradient, both enzymes diffuse toward areas of higher substrate concentration. Further, by employing a two-enzyme cascade, we show that chemically interconnected enzymes can be drawn together.17
چکیده
مقدمه
نتایج و بحث
نتیجه گیری
روش های آزمایشگاهی
ABSTRACT
INTRODUCTION
RESULTS AND DISCUSSION
CONCLUSION
EXPERIMENTAL METHODS
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه