Луч света помог запустить работу фермента и в 9 раз ускорить химическую реакцию

Учёные Научно-технологического университета «Сириус» и МФТИ создали материал, который позволяет управлять работой фермента с помощью инфракрасного лазера, ускоряя химическую реакцию в девять раз. Ферменты — природные ускорители реакций, используемые при производстве лекарств, продуктов и моющих средств, — имеют слабое место: при нагреве выше 50°C большинство из них разрушается. Учёные предложили управлять ферментом не напрямую теплом, а с помощью света, что открывает путь к «умным» биокатализаторам, включающимся по команде. Результаты, поддержанные грантом РНФ, опубликованы в Chemical Engineering Journal.

Исследователи собрали систему из трёх компонентов: фермента карбоангидразы, золотых наночастиц в форме полых сфер и оксида алюминия. Карбоангидразу выбрали не случайно: она играет важную роль в клеточном «дыхании», ускоряя превращение углекислого газа в углекислоту, и её активность удобно измерять по цветной реакции. Фермент и наночастицы «заперли» внутри пористой керамической матрицы из оксида алюминия: когда на материал направляли инфракрасный лазер, золотые наночастицы поглощали свет и превращали его в тепло, а керамика играла роль защитной капсулы, не давая ферменту потерять структуру при нагреве — как пористая скорлупа защищает содержимое яйца.

Чтобы доказать защитные свойства матрицы, авторы поместили чистый фермент и фермент в капсуле в водяную баню при 70°C: свободный белок постепенно терял форму и слипался в комки, а фермент внутри матрицы почти не менялся. Температура необратимой потери свойств у свободного фермента составила 67°C, у фермента в матрице без золота — 103°C, а в матрице с золотом — 96°C, тогда как большинство ферментов разрушается уже при 50–60°C. При содержании золота всего 0,5% от массы материала активность фермента под лазером выросла в девять раз по сравнению с чистым образцом, а материал выдержал 11 циклов нагрева и охлаждения без потери активности. В перспективе подход поможет создавать биоподобные катализаторы и развивать «зелёные» технологии, например системы улавливания углекислого газа, а также медицинские технологии, где реакции можно запускать прямо внутри организма.

Фото: участник проекта Павел Сазонов во время эксперимента с лазером. Источник: Никита Чернов / из личного архива.