Utilisation des fullerènes pour comprendre l’évolution des enzymes naturelles


Les imitations d’enzymes basées sur des nanomatériaux auto-assemblés sont un moyen facile de reproduire les activités des enzymes naturelles. Cependant, ces nanomatériaux imitant les enzymes n’ont pas été utilisés pour comprendre l’influence des acides aminés sur l’activité catalytique.

​​​​​​​Étude: Nanostructures de fullerène auto-assemblées pour imiter et comprendre l’enzyme naturelle. Crédit d’image : Forance/Shutterstock.com

Un article publié dans la revue Nanomatériaux appliqués par ACS ont présenté des nanostructures de fullerène fonctionnalisées par des acides aminés catalytiquement actifs avec de multiples sites actifs formés au cours du processus d’auto-assemblage dans un environnement aqueux.

Ces nanostructures fonctionnalisées ont servi de système efficace qui distinguait les différences d’activité catalytique résultant de changements d’acides aminés uniques. Ici, un réglage au niveau nanométrique des interactions intramoléculaires et intermoléculaires a abouti à la formation d’imitateurs d’enzymes efficaces.

De plus, différentes classes d’enzymes ont été imitées, y compris les hydrolases et les lyases, avec une activité catalytique élevée en exploitant le couple carboxyl-imidazole comme unité catalytique primaire. Comme les enzymes naturelles, les nanocatalyseurs modifiés étaient également réutilisables et catalytiquement actifs dans des contextes physiologiques.

Enzymes naturelles et fullerène

Le mimétisme enzymatique est un sujet d’intérêt dans le développement de matériaux biomimétiques multifonctionnels. Imiter l’activité des enzymes naturelles est le principal défi de la recherche sur les biomatériaux, et les analogues artificiels qui récapitulent simultanément l’activité catalytique et métabolique des enzymes naturelles sont l’objectif de ce domaine.

Les enzymes naturelles sont des catalyseurs perfectionnés au cours de l’évolution qui accélèrent les taux de réaction avec une extrême spécificité de substrat. En raison de leur activité catalytique exceptionnelle, les enzymes naturelles ont fait l’objet d’études intenses pour comprendre leurs mécanismes d’action et imiter leur activité catalytique sur la base des connaissances acquises.

La structure tridimensionnelle (3D) des enzymes naturelles influence grandement leur activité catalytique et peut localiser précisément les résidus catalytiques dans des positions optimales pour faciliter la catalyse. Bien que l’emplacement précis soit crucial pour la catalyse enzymatique, l’alignement des unités catalytiques pour réaliser les emplacements et les distances moléculaires appropriés est un défi dans les conceptions imitant les enzymes plus simples.

Depuis la découverte du buckminsterfullerène (C60) en 1985, le fullerène a été largement étudié en raison de ses propriétés structurelles, électroniques et spectroscopiques uniques qui pourraient être exploitées pour leurs diverses applications dans des études multidisciplinaires.

Les fullerènes sont une famille prometteuse de composés électroactifs avec quelques caractéristiques uniques qui rendent ce nouveau type de composé très prometteur en tant que médiateurs dans les biocapteurs ampérométriques. Le système à médiation par le fullerène conserve de bonnes caractéristiques analytiques globales par rapport à celles sans médiation, permettant souvent aux biocapteurs électrochimiques résultants de fonctionner à des potentiels inférieurs, réduisant ainsi les interférences des composés électroactifs.

Nanostructures de fullerène pour imiter les enzymes naturelles

Des recherches antérieures ont montré que les nanostructures de fullerène fonctionnalisées par des acides aminés fonctionnent comme des nanocatalyseurs auto-assemblés, accumulant de nombreux sites actifs aléatoires. L’efficacité des nanocatalyseurs fullerènes a été attribuée à leur symétrie icosaédrique, qui a permis la présentation régulière de sites actifs et de grandes surfaces fonctionnelles en raison de leur taille à l’échelle nanométrique.

Dans la présente étude, des nanostructures de fullerène fonctionnalisées par des acides aminés ont été utilisées comme plate-forme de nanocatalyseur efficace pour comprendre et imiter différentes actions catalytiques. Sur la base de la triade catalytique aspartate-histidine-sérine existant naturellement, l’histidine a été sélectionnée comme unité catalytique centrale et fonctionnalisée avec un groupe amino qui peut présenter régulièrement des sites actifs, et ainsi la nanoplateforme fonctionnalisée a montré une activité biocatalytique exceptionnelle.

L’ajout d’aspartate à la nanoplateforme a permis au système d’accéder à l’unité fonctionnelle du groupe -carboxyle et a servi de polariseur pour le cycle imidazole de l’histidine. Les histidines porteuses de carboxyle libre formaient la charge du système de relais d’unité carboxyle-imidazole sur le fullerène. Plusieurs enzymes naturelles, y compris le chymotrypsinogène A, ont ces systèmes pour favoriser l’attaque nucléophile via l’activation des molécules d’hydroxyle.

En plus de l’histidine, en tant que groupe latéral de nos nanocatalyseurs, des acides aminés supplémentaires aux propriétés chimiques uniques ont été ajoutés. En raison des groupes amino, y compris l’arginine et les acides aminés de la glutamine, les intermédiaires à l’état de transition peuvent être stabilisés électrostatiquement.

Cependant, en tant que stabilisant électrostatique, l’arginine est beaucoup plus courante que la glutamine dans les zones actives enzymatiques. Les groupes hydroxyle des trois acides aminés restants, la sérine, la thréonine et la tyrosine, peuvent fonctionner comme nucléophiles lorsqu’ils sont activés par le couple carboxyl-imidazole.

Conclusion

En conclusion, les nanocatalyseurs à base de fullerène décorés d’histidine et d’acides aminés latéraux ont montré une activité biocatalytique significative pour l’hydrolyse de différents substrats d’esters et l’hydratation du dioxyde de carbone (CO2), indiquant la polyvalence du système vis-à-vis de différentes réactions catalysées par des enzymes.

Ces nanostructures de fullerène fonctionnalisé pourraient imiter les activités des enzymes naturelles dans les systèmes biologiques. En raison de la polyvalence de la plate-forme actuelle, elle peut être utilisée dans différents systèmes d’imitation d’enzymes avec diverses unités catalytiques.

En outre, cela pourrait être une nouvelle stratégie pratique de nanobiotechnologie pour la recherche sur la mutagenèse dirigée, puisque l’impact de divers groupes fonctionnels sur les performances catalytiques peut être étudié. Ainsi, les nanocatalyseurs de fullerène ont été présentés comme une plate-forme puissante pour imiter et comprendre l’évolution des enzymes naturelles en raison de leur activité catalytique démontrée, surpassant certains des imitateurs d’enzymes les plus prometteurs rapportés dans la littérature.

Référence

Demirsoy, Zeynep., Gulseren, G. (2022) Nanostructures de fullerène auto-assemblées pour imiter et comprendre les enzymes naturelles. Nanomatériaux appliqués par ACS. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.2c02194

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