Исследователи из Научно-технологического университета «Сириус» и Московского физико-технического института создали материал, который позволяет управлять активностью ферментов с помощью инфракрасного света.

Разработка открывает путь к созданию «умных» биокатализаторов — материалов, которые можно дистанционно включать и выключать в нужный момент и в нужном месте. В промышленности это позволит лучше контролировать химические реакции, запуская их строго по команде, а в медицине — активировать лекарства прямо в поражённом органе, снижая нагрузку на здоровые ткани и уменьшая побочные эффекты. Исследование опубликовано в высокорейтинговом международном журнале Chemical Engineering Journal.

Ферменты — это биологические катализаторы, которые ускоряют химические реакции. Они работают точно и избирательно, поэтому широко используются в промышленности и медицине: от производства продуктов до создания лекарств. Основная проблема в работе с ферментами заключается в том, что большинство из них работают в узком диапазоне температур и быстро теряют активность при нагреве. Однако дистанционное управление ферментом зачастую требует его локального нагрева. Это создаёт противоречие, ведь без тепла реакцию не запустить, а с теплом фермент разрушается.

Учёные решили эту проблему, упаковав фермент вместе с наночастицами золота в пористую керамическую матрицу, сделанную из оксида алюминия. Работа была выполнена при поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования России. Золотые наночастицы — полые сферы размером около 100 нанометров. Они обладают рядом полезных свойств: эффективно поглощают инфракрасный свет и превращают его в тепло. А керамическая матрица, в свою очередь, защищает фермент от губительного для белков перегрева. В качестве модели исследователи использовали фермент карбоангидразу, полученную из бычьих эритроцитов. В свободном состоянии он теряет активность уже при 50 градусах по шкале Цельсия. В составе же нового материала фермент продолжал работать даже при 80 градусах.

Главный результат учёных состоит в том, что под действием инфракрасного лазера активность фермента в новом материале возрастала до девяти раз по сравнению с контрольным образцом, сконструированным без применения золотых наночастиц. Примечательно, что наблюдаемый эффект чётко зависел от различных параметров и мог контролироваться. Специалисты отмечали, что чем больше в материале содержалось наночастиц и чем дольше длилось облучение, тем выше была активность фермента. Это означает, что активностью фермента можно управлять дистанционно, просто включая и выключая свет.

Как отмечает первый автор работы, аспирант МФТИ Павел Сазонов, исходя из полученных результатов исследователи предполагают, что подобный подход может применяться для широкого спектра биокатализаторов на основе ферментов: «Пока что мы работали только с модельной системой, поскольку её проще изучать, но эти же принципы могут быть использованы для систем с другими ферментами».

«Разработанная методика основывается на новых материалах, которые были разработаны нами в ходе выполнения проекта, и может считаться универсальной. Описанная концепция вдохновлена природой: подобно тому, как в растениях под действием света идёт фотосинтез, в наших системах свет также может ускорять биопроцессы, хотя и используя совсем другие механизмы. Подобные биомиметические подходы всё чаще становятся основной для новых промышленных технологий и находят применение в реальном секторе экономики», — рассказывает руководитель проекта, старший научный сотрудник Научного центра генетики и наук о жизни Научно-технологического университета «Сириус» Андрей Дроздов.

Материал оказался многоразовым: после 11 циклов нагрева и охлаждения фермент сохранял активность. Это важно для практического применения. Например, в промышленных биореакторах, где катализаторы должны работать долго и не терять эффективность. А поскольку оксид алюминия уже одобрен для медицинского применения государственными регуляторами фармацевтики, в перспективе такие системы можно будет использовать и в организме. В частности, для активации лекарств в нужном месте с помощью света.