SET4Pro: Enelektrontransistorer för studier av redoxproteiner

Tidsperiod:

1 januari 2021 – 31 december 2024

Projektledare:

Alina Sekretareva

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Bidrag för anställning eller stipendier

Budget:

3 200 000 SEK

Proteiner spelar en central roll i biologiska processer. Det finns många olika typer av proteiner i våra kroppar och hos andra levande arter. De har alla viktiga roller i tillväxt, utveckling och vardaglig funktion hos en levande organism. Enzymer är proteiner som underlättar biokemiska reaktioner, till exempel är ceruloplasmin det viktigaste kopparbärande proteinet i blodet, men är även involverat i järnmetabolismen. Förståelsen av enzymatiska reaktionsmekanismer är viktig för behandling av olika sjukdomar genom att möjliggöra utveckling av nya läkemedel och medicintekniska produkter. Kunskap om enzymatiska mekanismer och strukturer kan användas för design och utveckling av effektiva katalysatorer för viktiga tekniska tillämpningar som efterliknar biologiska system.Även om enzymatisk katalys har studerats under lång tid, som tidigast redan 1835 av den svenske kemisten Jöns Jacob Berzelius, kan undersökningar av enskilda proteinmolekyler, snarare än lösningar innehållande många molekyler, avslöja helt nya och revolutionära detaljer om komplexa biologiska processer som inte var tillgängliga från tidigare studier av flera molekyler. De första studierna av enskilda proteinmolekyler utfördes 1998 och man upptäckte då fluktuationer i enzymstrukturen som tidigare hade antagits vara rigid. Tekniker som möjliggör undersökning av enzymatiska relationer på en molekylnivå kan därför revolutionera vår förståelse av komplexa biologiska processer.Det finns ett antal metoder som nyligen utvecklats som kan användas för studier av enskilda proteinmolekyler. Dessa tekniker bygger huvudsakligen på detektering av optiska signaler från signalproteinmolekyler eller på detektering av de krafter som behöver appliceras för att ändra strukturen hos en individuell proteinmolekyl. Även om dessa tekniker är allmänt använda för studier av vissa proteiner, har de begränsad tillämpbarhet för undersökningar av så kallade redoxenzymer. Redoxenzymer är proteiner som underlättar elektronöverföringsreaktioner, en process där en elektron flyttar från en molekylär enhet till en annan, vilket är ett nyckelsteg i sådana viktiga biologiska processer som andning, fotosyntes och DNA-syntes.Projektets huvudmål är att utveckla en ny SET4Pro-plattform som utnyttjar enelektrontransistorer (SET) för registrering av elektrokemiska signaler från redoxproteiner mot enkelmolekylkänsligheten. En SET består av en liten metallisk ö tunnel-kopplad till två mycket små metallelektroder genom vilka en ström kan flöda och är kapacitivt kopplad till en grindelektrod som används för att modulera öns fria energi. SETs kan potentiellt användas som ultrakänsliga elektrometrar som kan upptäcka överföringen av en elektron åt gången vilket gör dem mycket attraktiva för studier av enstaka redoxproteiner.De potentiella fördelarna med SET4Pro-strategin är många. På en grundläggande nivå förväntas det ge oöverträffad insikt i komplexa biologiska elektronöverföringsreaktioner. Den föreslagna metoden kan också vara användbar för tekniska tillämpningar. Det gör det möjligt att studera gränsöverskridande elektronöverföring mellan redoxproteinmolekyler och elektronik på molekylnivå vilket kommer skina ljus på de faktorer som styr elektronkommunikation. Detaljerad kunskap om gränssnittet biomolekyl / elektronik kommer att vara användbart för konstruktion av nya ultrakänsliga bioelektroniska anordningar, såsom biosensorer och biobränsleceller, som kombinerar tillförlitlig avkänning av enstaka biomolekyler eller enstaka enzymatiska reaktioner med elektriska signaltransduktionselement.Set4Pro kommer att öka utbudet av enzymer som är lämpliga för individuella molekylstudier utöver de som kan studeras med redan utvecklade tekniker. Det kommer att ge en djupare förståelse av biologiska elektronöverföringsprocesser som kommer att vara till gagn för proteinteknik och biomimetik och i förlängningen för utvecklingen inom biomedicinsk forskning, katalys och grön energi.