Redoxenzyme sind Proteine, die Oxidationsreduzierungsreaktionen katalysieren, die die Übertragung von Elektronen zwischen Molekülen beinhalten. Redoxenzyme sind in bioelektrochemischen Geräten wie Biosensoren oder Biokraftstoffzellen von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise katalysieren Biosensoren Reaktionen, die biochemische Signale in messbare elektrische Signale umwandeln und die Nachweis von Substanzen wie Glucose ermöglichen.
In Biokraftstoffzellen wandeln Redoxenzyme biologische Energie in Elektrizität um, wodurch kleine Geräte wie medizinische Implantate betrieben werden. Ihre Fähigkeit, die effiziente Übertragung von Elektronen zwischen Molekülen zu erleichtern, macht sie als nachhaltige Technologie für die Energieumwandlung und die fortschrittliche biologische Überwachung unverzichtbar.
Um jedoch ihr volles Potential zu nutzen, müssen Redoxenzyme auf festen Oberflächen immobilisiert werden, um sicherzustellen, dass sie stabil, wiederverwendbar sind und effizient mit Elektroden oder Substraten interagieren können. Die kovalente Bindung von Redoxenzymen an Elektrodenoberflächen ist die stabilste und starrste Methode unter den verschiedenen Enzym -Immobilisierungstechniken.
Diese Technik kann jedoch das Enzym aufgrund des Verlusts der notwendigen strukturellen Flexibilität für die Enzymaktivität durch eine übermäßig strenge Immobilisierung inaktiv machen.
Um die richtige Immobilisierungstechnik auszuwählen, ist es notwendig, die verschiedenen Konformationen von Redoxenzymen zu verstehen. Obwohl es viele Techniken zur Untersuchung von Enzymstrukturen gibt, ist die Untersuchung der strukturellen Unterschiede zwischen den reduzierten und oxidierten Formen eines Enzyms eine Herausforderung.
Mehrere Studien haben die Wirksamkeit der Verwendung von Röntgenstreuung (SAXS) mit kleinem Winkel in Kombination mit der Elektrochemie in den Feldern der Batterie- und Brennstoffzellenforschung gezeigt. Dieser Ansatz wurde jedoch noch nicht im Kontext biologischer Proben untersucht.
Um diese Lücke zu lösen, entwickelte ein Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Isao Shitanda von der Tokyo University of Science (TUS) in Japan eine neuartige Methode, die die Verwendung von elektrochemischen Saxen (EC-Saxs) umfasst und oxidierte Zustände von Enzymen.
Ihre Ergebnisse, die online in der Zeitschrift veröffentlicht wurden Langmuir Am 31. Dezember 2024 wurden Dr. Noya Loew, Frau Chiaki Sawahara und Associate Professor Taku Ogura aus TUS mitautorisiert von Bilirubin -Oxidase (BSB) und stellte fest, dass BSD abhängig von seinem Redoxzustand einen offenen oder geschlossenen Zustand bildet.
Dr. Shitanda erklärt den Ansatz des Teams: „In dieser Studie haben wir Einblicke aus vermittelte spektroelektrochemische Titration, in situ SAXS und SAXS -Analyse von Proteinen zur Entwicklung einer neuen Methode für die strukturelle Analyse von Enzymen in ihren reduzierten und oxidierten Zuständen gewonnen, die wir Named EC-Saxs. „
Röntgenstreuprofile von elektrochemisch oxidierten und reduzierten BSB wurden bei pH 8,0 erhalten, wobei sein Redoxpotential mit zunehmendem pH-Wert abnahm.
Es gab klare Unterschiede in den Streuprofilen, die einem ähnlichen Trend im Vergleich zu einzelnen SAXS -Profilen von chemisch oxidierten und reduzierten BSB folgten. Aus diesen Experimenten bestätigten die Forscher, dass reduzierter BSB eine kompaktere Struktur aufrechterhalten als ihre oxidierte Form.
Hochauflösende Bildgebungsdaten zeigten weiter, dass BSB bei oxidierter und geschlossener Form eine offene Konformation aufweist, wenn sie reduziert werden. In EC-Sachen, in denen 10-mal konzentrierterer Phosphatpuffer verwendet wurde, waren die negativ geladenen Moleküle wahrscheinlich die Struktur des BSD durchdrungen und erweitert, was ihm eine offenere Form ergab, wenn sie oxidiert wurden.
„Bilirubin, das zwei Carboxylgruppen enthält und negativ aufgeladen ist, erfordert insbesondere das natürliche Substrat für oxidiertes BSB, erfordert Zugang zum aktiven Standort für Reaktivität, ein Prozess, der durch die offene Struktur erleichtert wird“, kommentiert Dr. Shitanda.
Die neuartige EC-Saxs-Technik zeigt somit, dass ein kleines Redox-Enzym wie BSB während seines Redoxzyklus sehr flexibel sein kann und zwischen offenen und geschlossenen Strukturen schwankt. Darüber hinaus etabliert diese Studie ECAXs als vielversprechende Technik zur Untersuchung potenzieller struktureller Konformationen von Redoxenzymen und fördert unser Verständnis der Reaktionsmechanismen von Redoxenzymen.
„Einblicke in strukturelle Veränderungen während der Redoxreaktion könnten die Entwicklung von maßgeschneiderten Immobilisierungsstrategien verbessern und damit die Leistung von Biosensoren, Biokraftstoffzellen und anderen Bioelektronik verbessern“, schließt Dr. Shitanda.
Insgesamt ebnet diese Methode den Weg zur Entwicklung fortschrittlicher Immobilisierungsstrategien und verbessert die Leistung von enzymbasierten Biodevices erheblich. Diese Fortschritte haben das Potenzial, Felder wie Bioelektronik, Biosensoren und Biokraftstoffzellen zu revolutionieren, was zu effizienteren, nachhaltigen und skalierbaren Technologien führt.
Weitere Informationen:
Noya Loew et al., Elektrochemische Kleinwinkel-Röntgenstreuung für die potenzielle strukturelle Analyse von Redoxenzymen, Langmuir (2024). Doi: 10.1021/acs.langmuir.4c03661