Редокс-ферменты, играющие ключевую роль в окислительно-восстановительных реакциях, представляют собой жизненно важные белки не только для биологических процессов, но и для разработки перспективных биоэлектрохимических устройств. Эти ферменты, катализирующие перенос электронов между молекулами, лежат в основе работы таких инновационных технологий, как биосенсоры и биотопливные элементы. Биосенсоры, к примеру, способны преобразовывать биохимические сигналы в электрические, открывая путь к высокочувствительному обнаружению различных веществ, включая глюкозу в медицинских диагностических системах. Биотопливные элементы, в свою очередь, предлагают экологически чистый способ преобразования биологической энергии в электричество, потенциально питая имплантируемые медицинские устройства и другие автономные системы. Эффективный перенос электронов, обеспечиваемый редокс-ферментами, делает их незаменимыми для развития устойчивой энергетики и биологического мониторинга.
Для практического применения редокс-ферментов в биоэлектрохимических устройствах необходима их иммобилизация, то есть фиксация на определенной поверхности или в матрице. Иммобилизация повышает стабильность ферментов, обеспечивает возможность их многократного использования и способствует эффективному взаимодействию с электродами или субстратами. Одним из наиболее надежных методов иммобилизации является ковалентное связывание, однако излишняя жесткость, возникающая при таком подходе, может привести к снижению или полной потере активности ферментов. Выбор оптимального метода иммобилизации напрямую зависит от понимания структурных изменений, происходящих в ферменте в процессе окислительно-восстановительных реакций. Изучение конформаций ферментов в различном редокс-состоянии – задача крайне сложная для существующих аналитических методов.
В поисках решения этой проблемы группа исследователей под руководством доцента Исао Шитанда из Токийского университета науки (TUS) в Японии разработала инновационный метод, получивший название электрохимическая SAXS, или EC-SAXS. Метод малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS) в сочетании с электрохимией уже нашел применение в исследованиях аккумуляторов и топливных элементов, однако его использование для анализа биологических образцов оставалось ограниченным. Новый метод EC-SAXS призван восполнить этот пробел и предоставить ученым мощный инструмент для изучения структурных различий между окисленной и восстановленной формами редокс-ферментов.
В качестве модельного объекта для апробации метода EC-SAXS исследователи выбрали фермент билирубиноксидазу (BOD). Результаты этого исследования были опубликованы в онлайн-версии журнала Langmuir 31 декабря 2024 года. В число соавторов статьи вошли доктор Ноя Лёу, г-жа Чиаки Савахара, доцент Таку Огура, все из Токийского университета науки, а также доктор Юичи Такасаки из компании Anton Paar Japan K. K. Изучение BOD с помощью EC-SAXS позволило установить, что этот фермент претерпевает конформационные изменения в зависимости от своего редокс-состояния, переключаясь между открытой и закрытой формами.
Как пояснил доктор Шитанда, разработка метода EC-SAXS опиралась на идеи, полученные в ходе спектроэлектрохимического титрования с медиаторами, in situ SAXS и SAXS-анализа белков. Эксперименты по рентгеновскому рассеянию проводились при pH 8.0. Известно, что редокс-потенциал BOD снижается с повышением pH, что учитывалось при проведении исследований. Анализ полученных данных показал, что восстановленная форма BOD имеет более компактную структуру по сравнению с окисленной формой.
Визуализация с высоким разрешением подтвердила наличие открытой конформации у окисленной BOD и закрытой конформации у восстановленной BOD. Интересно, что концентрированный фосфатный буфер, использованный в экспериментах EC-SAXS, вероятно, проникал в структуру BOD и способствовал ее расширению в окисленном состоянии, делая открытую конформацию еще более выраженной.
Функциональное значение структурных изменений BOD заключается в обеспечении доступа субстрата к активному центру фермента. Билирубин, естественный субстрат для BOD, является отрицательно заряженной молекулой, содержащей две карбоксильные группы. Для связывания с активным центром ему необходим свободный доступ, который и обеспечивается открытой структурой окисленной BOD. Метод EC-SAXS наглядно демонстрирует гибкость BOD, способного динамически переключаться между открытой и закрытой конформациями в ходе редокс-цикла.
EC-SAXS представляет собой многообещающий метод для изучения потенциал-зависимых структурных конформаций редокс-ферментов. Он открывает новые горизонты в понимании механизмов реакций, катализируемых этими важнейшими белками. Полученные структурные данные могут иметь решающее значение для разработки более эффективных стратегий иммобилизации ферментов.
Понимание структурных изменений редокс-ферментов, достигаемое с помощью EC-SAXS, способно существенно улучшить характеристики биосенсоров, биотопливных элементов и других биоэлектронных устройств. Разработка стратегий иммобилизации, учитывающих конформационную динамику ферментов, позволит создавать более эффективные, стабильные и масштабируемые ферментные технологии. В заключение доктор Шитанда отметил, что полученные результаты, раскрывающие структурные особенности редокс-ферментов, могут совершить революцию в биоэлектронике, биосенсорике и биотопливных элементах, открывая путь к созданию биоэлектронных устройств нового поколения.
Изображение носит иллюстративный характер
Для практического применения редокс-ферментов в биоэлектрохимических устройствах необходима их иммобилизация, то есть фиксация на определенной поверхности или в матрице. Иммобилизация повышает стабильность ферментов, обеспечивает возможность их многократного использования и способствует эффективному взаимодействию с электродами или субстратами. Одним из наиболее надежных методов иммобилизации является ковалентное связывание, однако излишняя жесткость, возникающая при таком подходе, может привести к снижению или полной потере активности ферментов. Выбор оптимального метода иммобилизации напрямую зависит от понимания структурных изменений, происходящих в ферменте в процессе окислительно-восстановительных реакций. Изучение конформаций ферментов в различном редокс-состоянии – задача крайне сложная для существующих аналитических методов.
В поисках решения этой проблемы группа исследователей под руководством доцента Исао Шитанда из Токийского университета науки (TUS) в Японии разработала инновационный метод, получивший название электрохимическая SAXS, или EC-SAXS. Метод малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS) в сочетании с электрохимией уже нашел применение в исследованиях аккумуляторов и топливных элементов, однако его использование для анализа биологических образцов оставалось ограниченным. Новый метод EC-SAXS призван восполнить этот пробел и предоставить ученым мощный инструмент для изучения структурных различий между окисленной и восстановленной формами редокс-ферментов.
В качестве модельного объекта для апробации метода EC-SAXS исследователи выбрали фермент билирубиноксидазу (BOD). Результаты этого исследования были опубликованы в онлайн-версии журнала Langmuir 31 декабря 2024 года. В число соавторов статьи вошли доктор Ноя Лёу, г-жа Чиаки Савахара, доцент Таку Огура, все из Токийского университета науки, а также доктор Юичи Такасаки из компании Anton Paar Japan K. K. Изучение BOD с помощью EC-SAXS позволило установить, что этот фермент претерпевает конформационные изменения в зависимости от своего редокс-состояния, переключаясь между открытой и закрытой формами.
Как пояснил доктор Шитанда, разработка метода EC-SAXS опиралась на идеи, полученные в ходе спектроэлектрохимического титрования с медиаторами, in situ SAXS и SAXS-анализа белков. Эксперименты по рентгеновскому рассеянию проводились при pH 8.0. Известно, что редокс-потенциал BOD снижается с повышением pH, что учитывалось при проведении исследований. Анализ полученных данных показал, что восстановленная форма BOD имеет более компактную структуру по сравнению с окисленной формой.
Визуализация с высоким разрешением подтвердила наличие открытой конформации у окисленной BOD и закрытой конформации у восстановленной BOD. Интересно, что концентрированный фосфатный буфер, использованный в экспериментах EC-SAXS, вероятно, проникал в структуру BOD и способствовал ее расширению в окисленном состоянии, делая открытую конформацию еще более выраженной.
Функциональное значение структурных изменений BOD заключается в обеспечении доступа субстрата к активному центру фермента. Билирубин, естественный субстрат для BOD, является отрицательно заряженной молекулой, содержащей две карбоксильные группы. Для связывания с активным центром ему необходим свободный доступ, который и обеспечивается открытой структурой окисленной BOD. Метод EC-SAXS наглядно демонстрирует гибкость BOD, способного динамически переключаться между открытой и закрытой конформациями в ходе редокс-цикла.
EC-SAXS представляет собой многообещающий метод для изучения потенциал-зависимых структурных конформаций редокс-ферментов. Он открывает новые горизонты в понимании механизмов реакций, катализируемых этими важнейшими белками. Полученные структурные данные могут иметь решающее значение для разработки более эффективных стратегий иммобилизации ферментов.
Понимание структурных изменений редокс-ферментов, достигаемое с помощью EC-SAXS, способно существенно улучшить характеристики биосенсоров, биотопливных элементов и других биоэлектронных устройств. Разработка стратегий иммобилизации, учитывающих конформационную динамику ферментов, позволит создавать более эффективные, стабильные и масштабируемые ферментные технологии. В заключение доктор Шитанда отметил, что полученные результаты, раскрывающие структурные особенности редокс-ферментов, могут совершить революцию в биоэлектронике, биосенсорике и биотопливных элементах, открывая путь к созданию биоэлектронных устройств нового поколения.
