С помощью магнитного поля можно управлять скоростью взаимодействия фермента и субстрата, заключенных в магнитных наночастицах. Ученые из Университета Джорджии и Университета Кларксона исследовали этот способ управления биокатализом и показали, что с его помощью можно доставлять лекарства в нужные органы, например, раковые опухоли. Статья опубликована в новом журнале Nature Catalysis.

Использование материалов, позволяющих контролировать высвобождение различных биологических молекул, очень перспективно для направленной доставки лекарств, разработки биотехнологий и биосенсоров. Поскольку биологические ткани нечувствительны к слабым магнитным полям, ученые предложили использовать в качестве подобных материалов магнитные наночастицы, переносящие некоторое вещество. Под действием внешнего поля наночастицы преобразуют магнитную энергию и вызывают физические или химические изменения в этом веществе.

Например, с помощью наночастиц можно переносить энзимы (ферменты), которые катализируют (ускоряют) протекающие в живых организмах химические реакции. Если доставить нужное вещество вместе с ферментом в ткани, можно управлять протекающими в них реакциями — например, уничтожить раковые клетки. К сожалению, несмотря на то, что ферменты очень избирательны, они все-таки могут взаимодействовать с различными субстратами, разлагаются другими ферментами и поглощаются, не достигая своей цели. Поэтому необходимо разработать способы сохранить ферменты и доставить их точно в нужное место.

В данной работе ученые разработали такой способ, который позволяет управлять биокатализом с помощью одного только магнитного поля, не полагаясь на изменения температуры, pH или концентрации солей. Для этого они использовали два типа магнитных наночастиц, одна из которых переносила энзим (E-частицы), а другая — субстрат (S-частицы). В основе частиц лежало ядро, состоящее из ферромагнетика Fe3O4 и покрытое оболочкой из оксида кремния SiO2, в качестве фермента выступал папаин, а в качестве субстрата — флуоресцирующий краситель бычий сывороточный альбумин (FD-BSA). При приложении внешнего магнитного поля E-частицы и S-частицы сближались, и энзим начинал взаимодействовать с субстратом. Кроме того, наночастицы были дополнительно покрыты полимерной оболочкой, чтобы предотвратить случайное взаимодействие энзима и субстрата при отсутствии магнитного поля.

Фотография (a) и схема (b) взаимодействия наночастиц
Фотография (a) и схема (b) взаимодействия наночастиц

Чтобы доказать эффективность предложенного метода, ученые провели несколько экспериментов, в которых они наблюдали за взаимодействием частиц во внешнем поле и без него. Скорость взаимодействия исследователи оценили по свечению высвобождавшегося в ходе реакции FD-BSA. Кроме того, ученые проверили, как быстро высвобождается краситель S-наночастиц, помещенных в раствор папаина. Оказалось, что высвобождение красителя происходит намного быстрее при приложении магнитного поля, чем без него, что подтверждало эффективность способа.

Зависимость от времени яркости свечения в образце, содержащем одинаковое число наночастиц, при наложении магнитного поля (1) и в отсутствие поля (2), а также в образце с S-частицами, помещенными в раствор папаина (3).
Зависимость от времени яркости свечения в образце, содержащем одинаковое число наночастиц, при наложении магнитного поля (1) и в отсутствие поля (2), а также в образце с S-частицами, помещенными в раствор папаина (3).

Затем ученые исследовали, как магнитное поле влияет на биокатализ, то есть на скорость образования полимерных цепочек папаина и FD-BSA. Наблюдения экспериментаторы вели с помощью атомно-силовой и криоэлектронной, а также темнопольной оптической микроскопии. Концентрации S- и E-частиц были одинаковы. Чем больше было магнитное поле и чем выше концентрация наночастиц, тем длиннее образовывались полимерные цепочки.

Образование полимерных цепочек при низких (a-b) и высоких (c-f) концентрациях наночастиц.
Образование полимерных цепочек при низких (a-b) и высоких (c-f) концентрациях наночастиц.

Кроме того, ученые проверили, можно ли с помощью предложенного ими способа управлять доставкой лекарств к нужным органам. Для этого они взяли образец раковых клеток 4T1 (клеточная линия рака молочной железы мыши) и наблюдали, как изменяется число клеток со временем в зависимости от концентрации наночастиц и приложения внешнего магнитного поля. В этот раз вместо красителя, переносимого S-наночастицами, использовался доксорубицин, применяемый при химиотерапии. Как и ожидалось, активность раковых клеток заметно снижалась в образцах с наночастицами, к которым прикладывалось магнитное поле. В то же время, в отсутствие поля доксорубицин почти не высвобождался. Это значит, что с помощью предложенного учеными способа химиотерапию при раковых заболеваниях можно сделать менее травматической.

Активности раковых клеток через 12 часов в зависимости от концентрации наночастиц при наложении внешнего магнитного поля (красные столбики). Для сравнения показаны активности без магнитного поля (серы столбики) и вообще без частиц (синие столбики).
Активности раковых клеток через 12 часов в зависимости от концентрации наночастиц при наложении внешнего магнитного поля (красные столбики). Для сравнения показаны активности без магнитного поля (серы столбики) и вообще без частиц (синие столбики).