เครื่องปฏิกรณ์นาโนขับเคลื่อนการเรียงตัวของตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ

“น้ำตกของเอนไซม์” มีความสำคัญต่อการเปลี่ยนแปลงของตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพในเซลล์ชีวภาพ กระบวนการเหล่านี้เกี่ยวข้องกับเครือข่ายที่ซับซ้อนและเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมจุลภาคที่มีพื้นที่จำกัด ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮิบรูแห่งเยรูซาเลมในอิสราเอลได้สร้างน้ำตกในห้องปฏิบัติการโดยการห่อหุ้มเอ็นไซม์สามตัวและโคแฟคเตอร์ของเอนไซม์ในเครื่องปฏิกรณ์นาโน

ที่ทำจากอนุภาคนาโนที่มีโครงสร้าง

โลหะอินทรีย์ (NMOFs) เครื่องปฏิกรณ์นาโนสามารถนำมาใช้ในการใช้งานด้านเทคโนโลยีชีวภาพได้หลากหลาย เช่น การลดตัวเร่งปฏิกิริยาของสารเคมีที่มีความสำคัญทางอุตสาหกรรม ไปสู่การพัฒนาระบบแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ใหม่และมีประสิทธิภาพ

“เราได้แสดงให้เห็นว่าเอนไซม์ทั้งสามสามารถ ‘สื่อสารระหว่างกัน’ ในโครงสร้างที่มีรูพรุนที่จำกัดของอนุภาคนาโนที่มีโครงสร้างเป็นโลหะและอินทรีย์ จนถึงขนาดที่ผลิตภัณฑ์ของเอนไซม์หนึ่งตัวสามารถใช้เป็นสารตั้งต้นสำหรับเอนไซม์ที่ตามมาเพื่อให้ผลผลิตเป็นสาม น้ำตกของเอนไซม์” Itamar Willner หัวหน้าทีม อธิบาย “กลไกนี้ช่วยขจัดและเอาชนะข้อจำกัดในการแพร่กระจายที่มีอยู่ในสารละลายเจือจางจำนวนมากที่ไม่มีขอบเขตจำกัด เป็นผลให้การเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพที่เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์มีประสิทธิภาพมากเมื่อเทียบกับสภาพแวดล้อมทางชีวภาพที่ไม่ จำกัด ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องมีความเข้มข้นของตัวเร่งปฏิกิริยาเอนไซม์ที่ต่ำกว่ามาก (ซึ่งมีราคาแพง)”

และนั่นไม่ใช่ทั้งหมด: เอ็นไซม์ที่ห่อหุ้มในเครื่องปฏิกรณ์นาโนมีความเสถียรและไม่สามารถแปลงสภาพได้ง่าย นอกจากนี้ยังสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ด้วยเมทริกซ์ NMOFs “คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เครื่องปฏิกรณ์นาโนที่บรรจุวัสดุชีวภาพเป็นวัสดุที่คุ้มค่าสำหรับการใช้งานด้านเทคโนโลยีชีวภาพ” วิลล์เนอร์กล่าว

ZIF8-NMOFs

นักวิจัยได้สร้างเครื่องปฏิกรณ์นาโนของพวกเขาจากอนุภาคนาโนโครงสร้าง zeolitic imidazolate framework-8 ที่เป็นโลหะและอินทรีย์ (ZIF8-NMOFs) พวกเขาทำสิ่งนี้โดยผสม Zn 2+ไอออนกับเมทิลอิมิดาโซเลตที่อุณหภูมิห้อง ในการปรากฏตัวของเอนไซม์ เทคนิคนี้จะสร้างเครือข่ายที่มีรูพรุนด้วยตนเองบนไอออน Zn 2+ ที่เชื่อมขวางโดยลิแกนด์เมทิลอิมิดาโซเลตซึ่งวัสดุชีวภาพถูกห่อหุ้มในรูพรุนและมีเมทริกซ์เครือข่ายเป็นอนุภาคนาโนที่มีความเสถียรสูง

“เทคนิคนี้เป็นแนวทางที่หลากหลายซึ่งสามารถนำไปใช้กับน้ำตก biocatalytic ประเภทต่างๆ ที่อาจได้รับประโยชน์จากการถูกห่อหุ้มในสภาพแวดล้อมที่มีรูพรุนที่มีรูพรุน” Willner กล่าวกับPhysics World “ตัวอย่างหนึ่ง: การห่อหุ้มปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงควบคู่ไปกับการลดหลั่นอิเล็กตรอนอาจนำไปสู่ระบบการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพใหม่”

ในการศึกษานี้ ซึ่งมีรายละเอียดอยู่ในNature Catalysis  s41929-018-0117-2นักวิจัยได้ห่อหุ้มแอลกอฮอล์ดีไฮโดรจีเนส, cofactor nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) และ lactate dehydrogenase ใน NMOFs เพื่อสร้างน้ำตก biocatalytic แบบคู่ เอนไซม์ในน้ำตกลดกรดไพรูวิกเป็นกรดแลคติกโดยเร่งปฏิกิริยาด้วยเอทานอล

“โดยปกติ เอ็นไซม์ทั้งสองถูกสร้างขึ้นเพื่อสื่อสาร

ระหว่างกันโดยการสร้างและรีไซเคิลโคแฟกเตอร์อย่างต่อเนื่อง” วิลล์เนอร์อธิบาย “กระบวนการนี้ไม่มีประสิทธิภาพในการแก้ปัญหาจำนวนมากและเป็นอุปสรรคสำคัญที่ขัดขวางไม่ให้ระบบเหล่านี้ถูกนำไปใช้ในการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีชีวภาพ การจำกัดเอ็นไซม์และโคแฟกเตอร์ในอนุภาคนาโนที่มีรูพรุนสามารถเอาชนะความท้าทายนี้ได้ เพราะมันสร้างอนุภาคนาโนที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เสถียรและนำกลับมาใช้ใหม่ได้

“นักวิจัยให้ความสนใจอย่างมากในปัจจุบันในการสร้างอนุภาคนาโนตัวเร่งปฏิกิริยาที่เลียนแบบการทำงานของเอนไซม์” เขากล่าวเสริม “เอนไซม์นาโนไซม์และเอนไซม์พื้นเมืองเหล่านี้ใน NMOF สามารถใช้สร้างระบบไมโครรีแอคเตอร์แบบใหม่สำหรับปฏิบัติการแคทาไลติก แคสเคด และขณะนี้ห้องปฏิบัติการของเรายุ่งอยู่กับการทดลองเพื่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าว”

การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ที่ทำโดยนักฟิสิกส์ในสวิตเซอร์แลนด์และสหรัฐอเมริกา แนะนำว่า “จุดยึดที่มองไม่เห็น” สามารถดักจับอนุภาคขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ด้วยของไหลผ่านจุดแยก T บริเวณที่อนุภาคถูกดักจับอาจประกอบด้วยส่วนใหญ่ของทางแยก และการวิจัยอาจนำไปสู่การออกแบบระบบไมโครฟลูอิดิกที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อดักจับและประมวลผลอนุภาคที่น่าสนใจ

T-junctions และจุดเชื่อมต่ออื่นๆ ระหว่างท่อส่งของเหลวมีอยู่ทั่วไปในโลกที่สร้างขึ้น – และสามารถมีบทบาทสำคัญในกระบวนการทางอุตสาหกรรม แม้ว่าจะดูสมเหตุสมผลที่จะคิดว่าการไหลของของเหลวจะดึงอนุภาคขนาดเล็กผ่านจุดเชื่อมต่อ นี้สามารถนำไปสู่ปัญหามากมายเช่นท่ออุดตัน ในด้านบวก เอฟเฟกต์การดักจับนี้กำลังถูกใช้เพื่อสร้างระบบไมโครฟลูอิดิกสำหรับการประมวลผลอนุภาค

ตั้งแต่ปี 2014 Howard Stoneแห่งมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันและเพื่อนร่วมงานได้ศึกษาผลกระทบนี้โดยทำการทดลองโดยนำลูกปัดแก้วกลวงมาบรรจุด้วยของเหลวที่มีความหนืดต่างกันผ่านจุดต่อต่างๆ พวกเขาพบว่าลูกปัดเหล่านี้ซึ่งมีความหนาแน่นต่ำกว่าของเหลวสามารถติดอยู่ในทางแยกภายใต้เงื่อนไขการทดลองที่หลากหลาย

กระแสน้ำวนสลายทีมสงสัยว่าการดักจับเกิดจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่า “การพังทลายของกระแสน้ำวน” นี่เป็นการหยุดชะงักอย่างกะทันหันของการไหลของของไหลอย่างราบรื่น ซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อของเหลวเร่งความเร็วรอบส่วนโค้งที่แหลมคมของทางแยก สิ่งนี้สร้างกระแสน้ำวนและพื้นที่ของการไหลเป็นศูนย์ซึ่งสามารถดักจับอนุภาคได้

Stone และเพื่อนร่วมงานระบุกลไกนี้ในงานก่อนหน้านี้ แต่ยังคงงงงวยเพราะการคำนวณของพวกเขาชี้ให้เห็นว่าพื้นที่ดักจับมีขนาดเล็กกว่าที่เห็นในการทดลองมาก ตอนนี้ Stone ได้ร่วมมือกับDavid OettingerและGeorge Hallerจาก ETH Zurich และJesse Aultจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge เพื่อทำการคำนวณที่มีรายละเอียดมากขึ้น ซึ่งพิจารณาว่าอนุภาคแต่ละตัวมีปฏิสัมพันธ์กับของเหลวอย่างไร และสิ่งนี้ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของพวกมันภายใน T-junction อย่างไร .

Credit : เกมส์ออนไลน์แนะนำ >> ป๊อกเด้งออนไลน์