研究人員采用不完美來(lái)改善生物分子的運(yùn)輸

所有生物都依賴于酶 - 分子，加速生命必需的生化反應(yīng)。

幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直在努力創(chuàng)造能夠在工業(yè)規(guī)模上開發(fā)出重要化學(xué)品和燃料的人工酶，其性能可與天然的同類產(chǎn)品相媲美。

斯坦福大學(xué)和SLAC加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)出一種合成催化劑，可以像酶在生物體中那樣生成化學(xué)物質(zhì)。在8月5日出版的“ 自然催化”雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究人員表示，他們的發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致工業(yè)催化劑能夠以更低的能耗和更低的成本生產(chǎn)甲醇。甲醇具有多種應(yīng)用，并且對(duì)其用作比傳統(tǒng)汽油具有更低排放的燃料的需求不斷增長(zhǎng)。

“我們從大自然中汲取靈感，”資深作者，斯坦福大學(xué)化學(xué)工程助理教授Matteo Cargnello說(shuō)。“我們希望使用人工催化劑模擬實(shí)驗(yàn)室中天然酶的功能，以制造有用的化合物。”

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員設(shè)計(jì)了一種由鈀(一種貴金屬)納米晶體制成的催化劑，嵌入多層聚合物中，具有特殊的催化性能。在自然界中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)蛋白質(zhì)酶也含有痕量金屬，如鋅和鐵，嵌入其核心。

研究人員通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的共同作者Andrew Herzing的電子顯微鏡圖像觀察了催化劑中的痕量鈀。

模型反應(yīng)

“我們專注于模型化學(xué)反應(yīng)：將有毒的一氧化碳和氧氣轉(zhuǎn)化為二氧化碳(CO2)，”博士說(shuō)。該研究的第一作者，學(xué)生Andrew Riscoe。“我們的目標(biāo)是通過(guò)加速反應(yīng)和控制二氧化碳的生成方式來(lái)觀察人造催化劑是否像酶一樣發(fā)揮作用。”

為了找到答案，Riscoe將催化劑放入一個(gè)連續(xù)流動(dòng)的一氧化碳和氧氣的反應(yīng)器管中。當(dāng)管加熱至約150攝氏度(302華氏度)時(shí)，催化劑開始產(chǎn)生所需產(chǎn)物二氧化碳。

科學(xué)家發(fā)明了一種由軟聚合物(紫色)和硬鈀核(粉紅色)制成的酶樣催化劑。加熱時(shí)，鈀將氧和一氧化碳(黃色和橙色)分子化學(xué)轉(zhuǎn)化為二氧化碳(CO2)。當(dāng)聚合物被二氧化碳飽和時(shí)，反應(yīng)停止，二氧化碳是活酶所采用的策略。正在研究開發(fā)在低溫下將天然氣轉(zhuǎn)化為甲醇的催化劑。圖片來(lái)源：Gregory Stewart / SLAC加速器實(shí)驗(yàn)室

來(lái)自SLAC的斯坦福同步輻射光源(SSRL)的高能X射線顯示催化劑具有與酶中所見類似的特性：催化劑內(nèi)的鈀納米晶體連續(xù)地與氧氣和一氧化碳反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳。并且一些新形成的二氧化碳分子在從納米晶體中逸出時(shí)被捕獲在外聚合物層中。在觀察用于DNA分選和測(cè)序的多孔膜的生產(chǎn)時(shí)，伊利諾伊大學(xué)的研究人員想知道在制造過(guò)程中形成的微小階梯狀缺陷是如何用于改善分子運(yùn)輸?shù)?。他們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)重疊膜層形成的缺陷使分子如何沿著膜表面移動(dòng)產(chǎn)生很大的差異。該團(tuán)隊(duì)沒有嘗試修復(fù)這些缺陷，而是開始使用它們來(lái)幫助將分子導(dǎo)入膜孔。

他們的研究結(jié)果發(fā)表在Nature Nanotechnology雜志上。

納米孔膜已經(jīng)引起了人們對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究的興趣，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭芯咳藛T通過(guò)將它們通過(guò)孔隙進(jìn)行物理和化學(xué)表征來(lái)研究單個(gè)分子 -原子 - 原子。這項(xiàng)技術(shù)最終可以生成能夠快速測(cè)序DNA，RNA或蛋白質(zhì)以進(jìn)行個(gè)性化醫(yī)療的設(shè)備。

2014年，伊利諾伊大學(xué)物理學(xué)教授Aleksei Aksimentiev和研究生Manish Shankla展示了一種石墨烯膜，通過(guò)電荷控制分子通過(guò)納米孔的運(yùn)動(dòng)。他們發(fā)現(xiàn)，一旦分子在膜的表面上，就很難讓它們進(jìn)入膜的孔隙，因?yàn)榉肿訒?huì)粘在表面上。

在荷蘭代爾夫特理工大學(xué)休假期間，Aksimentiev發(fā)現(xiàn)DNA傾向于積聚并粘在制造形成的缺陷邊緣，這些缺陷發(fā)生在橫跨膜表面的線性臺(tái)階上。伊利諾伊州團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是找到一種方法來(lái)利用這些缺陷將卡住的分子導(dǎo)入納米孔，這一原則也可以應(yīng)用于生物分子的輸送，分選和分析。

為了改進(jìn)和確認(rèn)他們的觀察結(jié)果，研究人員使用伊利諾斯州超級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心的Blue Waters超級(jí)計(jì)算機(jī)和XSEDE超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬原子級(jí)的系統(tǒng)和分子運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。

“分子動(dòng)力學(xué)模擬讓我們觀察正在發(fā)生的事情，同時(shí)測(cè)量使分子清除一步需要多大的力，”Aksimentiev說(shuō)。“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，將一個(gè)分子向下移動(dòng)一步而不是向上移動(dòng)所需的力量更小。雖然看起來(lái)直觀，重力會(huì)使降低更容易，但這并非如此，因?yàn)橹亓υ诩{米尺度上可以忽略不計(jì)，而且向上或向下移動(dòng)所需的力量應(yīng)該相同。“

Aksimentiev說(shuō)，團(tuán)隊(duì)成員最初認(rèn)為他們可以使用在毛孔周圍形成的同心缺陷模式來(lái)迫使分子向下，但他們的模擬顯示分子沿著階梯的邊緣聚集。就在它突然出現(xiàn)的時(shí)候：一個(gè)帶有螺旋形成孔的邊緣的缺陷，結(jié)合施加的定向力，將使分子沒有其他選擇，只能進(jìn)入像孔一樣的孔隙。

“通過(guò)這種方式，我們可以將分子放在覆蓋著這些螺旋結(jié)構(gòu)的膜上的任何地方，然后將分子拉入孔中，”他說(shuō)。

他們說(shuō)，研究人員尚未在實(shí)驗(yàn)室中制造出具有螺旋缺陷的膜，但這項(xiàng)任務(wù)可能比試圖去除目前分子固定步驟缺陷的石墨烯膜更容易。

“當(dāng)大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，缺陷引導(dǎo)捕獲可能會(huì)使DNA捕獲吞吐量增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，”Shankla說(shuō)。

“經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的開發(fā)過(guò)程，我們很高興看到這個(gè)原理用于各種其他材料和應(yīng)用，如將單個(gè)分子輸送到反應(yīng)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，”研究人員說(shuō)。

“X射線顯示，一旦聚合物層充滿二氧化碳，反應(yīng)就會(huì)停止，”斯坦福天然氣倡議組織(NGI)的附屬機(jī)構(gòu)Cargnello說(shuō)。“這很重要，因?yàn)樗c酶使用的策略相同。當(dāng)酶產(chǎn)生過(guò)多的產(chǎn)品時(shí)，它會(huì)停止工作，因?yàn)椴辉傩枰a(chǎn)品。我們表明我們也可以通過(guò)控制產(chǎn)品來(lái)調(diào)節(jié)二氧化碳的產(chǎn)生。聚合物層的化學(xué)成分。這種方法可能影響許多催化領(lǐng)域。“

X射線成像由研究合作者斯坦福大學(xué)博士后學(xué)者Alexey Boubnov以及SLAC科學(xué)家Simon Bare和Adam Hoffman進(jìn)行。

制造甲醇

隨著二氧化碳實(shí)驗(yàn)的成功，Cargnello及其同事將注意力轉(zhuǎn)向?qū)⒓淄?天然氣的主要成分)轉(zhuǎn)化為甲醇，甲醇是一種廣泛用于紡織品，塑料和涂料的化學(xué)品。甲醇也被吹捧為汽油燃料的更便宜，更清潔的替代品。

“在低溫下將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇的能力被認(rèn)為是催化劑的圣杯，”Cargnello說(shuō)。“我們的長(zhǎng)期目標(biāo)是建立一種催化劑，其行為類似甲烷單氧化酶，這是某種微生物用來(lái)代謝甲烷的天然酶。”

今天的大多數(shù)甲醇是通過(guò)兩步法生產(chǎn)的，包括將天然氣加熱到約1000℃(1,800℉)的溫度。但是，這種能源密集型過(guò)程會(huì)釋放大量二氧化碳，這是一種有助于全球氣候變化的強(qiáng)效溫室氣體。

Riscoe解釋說(shuō)：“將甲烷直接轉(zhuǎn)化為甲醇的人工催化劑需要更低的溫度，并且排放更少的二氧化碳。” “理想情況下，我們還可以通過(guò)設(shè)計(jì)在甲醇燃燒前捕獲甲醇的聚合物層來(lái)控制反應(yīng)產(chǎn)物。”

未來(lái)的酶

“在這項(xiàng)工作中，我們證明了我們可以制備由聚合物和金屬納米晶體制成的混合材料，這些材料具有典型的酶活性特征，”Cargnello說(shuō)道，他也是斯??坦福大學(xué)SUNCAT界面科學(xué)和催化中心的附屬機(jī)構(gòu)。“令人興奮的是，我們可以將這些材料應(yīng)用于許多系統(tǒng)，幫助我們更好地了解催化過(guò)程的細(xì)節(jié)，并使我們更接近人工酶。”