Elektrokemisk røntgenstrålespredning låser op hemmeligheder af redoxenzymer

Redox-enzymer er proteiner, der katalyserer oxidationsreduktionsreaktioner, som involverer overførsel af elektroner mellem molekyler. Redoxenzymer er afgørende i bioelektrokemiske anordninger, såsom biosensorer eller biobrændstofceller. For eksempel katalyserer biosensorer reaktioner, der omdanner biokemiske signaler til målbare elektriske signaler, hvilket muliggør påvisning af stoffer som glukose.

I biobrændstofceller omdanner redoxenzymer biologisk energi til elektricitet, der tænder små enheder som medicinske implantater. Deres evne til at lette effektiv overførsel af elektroner mellem molekyler gør dem uundværlige som en bæredygtig teknologi til energikonvertering og avanceret biologisk overvågning.

For at udnytte deres fulde potentiale skal redoxenzymer imidlertid immobiliseres på faste overflader for at sikre, at de er stabile, genanvendelige og kan interagere effektivt med elektroder eller underlag. Kovalent binding af redoxenzymer til elektrodeoverflader er den mest stabile og stive metode blandt de forskellige enzymimmobiliseringsteknikker.

Denne teknik kan imidlertid gøre enzymet inaktiv på grund af tabet af den nødvendige strukturelle fleksibilitet til enzymaktivitet ved en alt for stiv immobilisering.

For at vælge den rigtige immobiliseringsteknik er det nødvendigt at forstå de forskellige konformationer af redoxenzymer. Selvom der findes mange teknikker til undersøgelse af enzymstrukturer, er det udfordrende at undersøge de strukturelle forskelle mellem en enzyms reducerede og oxiderede former.

Flere undersøgelser har vist effektiviteten af ​​at bruge småvinkel røntgenstrålespredning (SAXS) kombineret med elektrokemi inden for batteri og brændselscelleforskning. Imidlertid er denne tilgang endnu ikke undersøgt i sammenhæng med biologiske prøver.

For at tackle dette hul udviklede et forskerteam ledet af lektor Isao Shitanda fra Tokyo University of Science (TUS) i Japan en ny metode, der omfatter brugen af ​​elektrokemisk-saxs (EC-sax) til at analysere de strukturelle forskelle mellem den reducerede og oxiderede tilstande af enzymer.

Deres fund, der blev offentliggjort online i tidsskriftet Langmuir Den 31. december 2024 blev medforfatter af Dr. Noya Loew, fru Chiaki Sawahara og lektor Taku Ogura fra Tus og Dr. Yuichi Takasaki fra Anton Paar Japan KK, der undersøgte de strukturelle forskelle mellem de oxiderede og reducerede former af bilirubinoxidase (BOD) og fandt, at BOD danner en åben eller lukket tilstand afhængigt af dens redox -tilstand.

Dr. Shitanda forklarer holdets tilgang, “I denne undersøgelse trak vi indsigt fra medieret spektroelektrokemisk titrering, in situ saxs og SAXS -analyse af proteiner for at udvikle en ny metode til strukturanalyse af enzymer i deres reducerede og oxiderede tilstande, som vi navngivne EC-saxs. “

Røntgenstrålespredningsprofiler af elektrokemisk oxiderede og reducerede BOD blev opnået ved pH 8,0, hvor dens redoxpotentiale faldt med stigende pH.

Der var klare forskelle i spredningsprofilerne, som fulgte en lignende tendens sammenlignet med individuelle SAXS -profiler af kemisk oxideret og reduceret BOD. Fra disse eksperimenter bekræftede forskerne, at reduceret BOD opretholder en mere kompakt struktur end dens oxiderede form.

Data med høj opløsning af billeddannelsesdata afslørede yderligere, at BOD har en åben konformation, når den oxideres og en lukket form, når den reduceres. I EC-saks, hvor 10 gange mere koncentreret phosphatbuffer blev anvendt, var de negativt ladede molekyler sandsynligvis trængt ind og udvidet strukturen af ​​BOD, hvilket gav den en mere åben form, når de oxideres.

“Navnlig kræver det naturlige underlag for oxideret BOD, Bilirubin, der indeholder to carboxylgrupper og er negativt ladet, adgang til det aktive sted for reaktivitet, en proces, der er lettet af den åbne struktur,” kommenterer Dr. Shitanda.

Den nye EC-saxteknik afslører således, at et lille redox-enzymlignende BOD kan være meget fleksibel under dens redoxcyklus, der svinger mellem åbne og lukkede strukturer. Endvidere etablerer denne undersøgelse EC-saxs som en lovende teknik til undersøgelse af potentielle afhængige strukturelle konformationer af redox-enzymer, hvilket fremmer vores forståelse af reaktionsmekanismerne for redox-enzymer.

“Indsigt i strukturelle ændringer under redoxreaktionen kunne forbedre udviklingen af ​​skræddersyede immobiliseringsstrategier og derved forbedre ydelsen af ​​biosensorer, biobrændstofceller og anden bioelektronik,” konkluderer Dr. Shitanda.

Generelt baner denne metode vejen for at udvikle avancerede immobiliseringsstrategier, hvilket markant forbedrer ydelsen af ​​enzymbaserede biodevices. Disse fremskridt har potentialet til at revolutionere felter som bioelektronik, biosensorer og biobrændstofceller, hvilket fører til mere effektive, bæredygtige og skalerbare teknologier.