Enzymatisches Reaktionsnetzwerk-gesteuerte polymerisationsinduzierte transiente Koazervation

Abstract

Eine lebende Zelle besitzt ein hochkomplexes Mikro-Umfeld, in dem zahlreiche enzymgesteuerte Prozesse gleichzeitig aktiv sind. Diese Prozesse sind äußerst präzise und effizient, obwohl eine vergleichbare Kontrolle in vitro noch nicht etabliert wurde. In dieser Arbeit entwerfen wir ein enzymatisches Reaktionsnetzwerk (ERN), das antagonistische und orthogonale enzymatische Netzwerke kombiniert, um anpassbare Dynamiken der ATP-getrieben transienten Koazervation zu erzeugen. Mithilfe der Meerrettichperoxidase-vermittelten biokatalytischen radikalischen Atomtransferpolymerisation (BioATRP) synthetisierten wir Poly(dimethylaminoethylmethacrylat), das anschließend in Anwesenheit von ATP Koazervate bildete. Wir untersuchten rational die enzymatische Kontrolle über die Koazervation und Auflösung und setzten dabei orthogonale und antagonistische Enzym-Paare ein, wie Phosphatase, Kreatinphosphokinase, Hexokinase, Esterase und Urease. Die ATP-gefüllten Koazervate zeigen zudem eine enzymatische Katalyse und belegen das Potenzial, als zelluläre Mikroreaktoren genutzt zu werden. Zusätzlich entwickelten wir das ERN-Polymerisations-induzierte transiente Koazervation (ERN-PIC), das vollständige Kontrolle über das System, die Polymerisation, die Koazervation und die Auflösung ermöglicht. Besonders bemerkenswert ist, dass der Koazervationsprozess selbst funktionelle Eigenschaften bestimmt, wie zum Beispiel selektive Ladungsaufnahme. Die Strategie bietet hochmoderne biomimetische Anwendungen und Einblicke in die zelluläre Kompartmentalisierung, indem sie die Lücke zwischen synthetischen und biologischen Systemen überbrückt. Die Entwicklung von temporär programmierten Koazervaten ist vielversprechend für die räumliche Anordnung von Multienzym-Kaskaden und bietet neue Ideen zur Architektur künstlicher Zellen.