Биокатализ — это биохимический процесс, который относится к использованию биологических систем или их частей для ускорения химических реакций. Биокаталитические процессы применяют в науке для химического синтеза и изучения биохимических реакций, а также для решения практических задач в промышленности, медицине и биотехнологиях.
На протяжении десятилетий ученые искали способ контролировать и ускорять биокаталитические процессы. Несмотря на то, что существует множество методов для усиления биокатализа, все они обходят стороной главную ограничивающую проблему — диффузию субстрата — вещества, которое должно побывать в клетке, чтобы произошла ферментативная реакция.
Дело в том, что клеточная мембрана, а иногда и клеточная стенка, являются физическим барьером и ограничивают скорость диффузии субстрата в реакционные центры клетки. Для преодоления этой проблемы можно увеличить проницаемость клеточной мембраны. Для этого используют, например, химические вещества. Однако они могут быть достаточно токсичными. Действие этих веществ сложно контролировать, а другие способы могут необратимо разрушить структуру клетки.
Группа ученых из Университета ИТМО предложила технологию, которая с помощью внешних стимулов помогает контролировать биокатализ дрожжей через увеличение проницаемости мембраны клетки, не разрушая ее и не влияя на жизнеспособность клетки.
Они использовали «еже-подобные» частицы (urchin-like particles), которыми управляли с помощью магнитного поля. Это большие частицы, на поверхности которых много неоднородностей в виде острых стержней. В качестве модельного организма для биокатализа использовались пекарские дрожжи.
На примере биохимической реакции спиртового брожения исследователи продемонстрировали, что могут использовать внешний стимул — переменное магнитное поле — для контроля процесса биокатализа: «включать» и «выключать» его в нужные моменты времени. «Ежей» исследователи добавляли к дрожжам, инкубировали в течение определенного времени и отправляли в магнитную установку, которая позволяет воздействовать на образец переменным магнитным полем с заданной частотой, интенсивностью и направлением.
«Вращающееся магнитное поле заставляет дрожжи вместе с “ежами” вращаться вокруг своей оси, в результате чего происходит взаимодействие “ежа” с мембраной: он трансформирует энергию магнитного поля, которая заставляет его крутиться, в механическое напряжение на мембрану. Находясь на мембране, он создает момент силы, который позволяет мембране открыться, — объясняет эксперимент один из авторов исследования, магистрант лаборатории SCAMT, Даниил Кладько. — В данном случае очень важно время и частота. Нужно, чтобы поле какое-то время поработало и “подергало“ мембрану, потому что это все еще достаточно плотная структура несмотря на ее кажущуюся тонкость».
Разработанную технологию можно применять в пищевой промышленности, например, для работы с теми же дрожжами: уменьшить стоимость и увеличить объем производства продуктов на их основе.
Кроме этого, биокатализ активно применяется в фармацевтике и биотехнологиях. Метод его ускорения использованием магнитных полей может помочь увеличить объемы выпуска лекарств, которые производятся на основе биосинтеза, и снизить стоимость конечного продукта.
Также созданных «ежей» можно развить, чтобы применять их для внутриклеточной доставки лекарств в животные или человеческие клетки. Однако нужно принимать во внимание, что дрожжи и клетки человека и животных имеют разное строение. Поэтому такая технология может помочь осуществить доставку лекарств в клетки человека, но ученым еще предстоит найти способ ее перенесения с одной клеточной системы на другую.
«Чтобы делать подобные исследования, нужен интердисциплинарный коллектив. Мой научный руководитель, Владимир Виноградов — очень хороший материаловед. Второй автор, Максим Захаржевский — выпускник SCAMT и хороший химик. Я — биолог с небольшим физическим уклоном. С помощью наших компетенций удалось с разных сторон посмотреть на один и тот же процесс, — объясняет успех исследователей Даниил Кладько. — Иногда нужно посмотреть свежим взглядом на довольно известную проблему. У нас были необходимые компетенции в других областях, которые мы использовали. Благодаря постоянному контакту внутри коллектива и большому количеству работы удалось добиться результата».
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 16-03-00041.
Статья: Daniil V. Kladko, Maxim A. Zakharzhevskii, and Vladimir V. Vinogradov. Magnetic Field-Mediated Control of Whole-Cell Biocatalysis. The Journal of Physical Chemistry Letters 0, 11. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c02564
