Kaskadinė fermentinė reakcija yra tokia cheminių reakcijų grandinė, kai vienos fermentinės reakcijos produktas yra panaudojamas kitose fermentinėse reakcijose tol, kol gaunamas galutinis rezultatas. Tokių reakcijų pavyzdžiai gamtoje yra kraujo krešėjimo reakcija, celiulozės skaidymas bei signalų perdavimas neuronuose. Norint, kad kaskadinė fermentinė reakcija vyktų efektyviai, fermentai, reikalingi reakcijai vykti, turi būti išsidėstę taip, kad po kiekvieno reakcijos etapo tarpinis produktas efektyviai pasiektų kitą reakcijai reikalingą fermentą. Tokių reakcijų efektyvumą galima bandyti pagerinti sutelkiant visus reikalingus reakcijai fermentus šalia vienas kito. Vienas iš variantų kaip būtų galima sukurti daugiafermentį kompleksą yra panaudojant segmentuotus metalinius nanostrypelius kaip koduojančią matricą bei genetiškai modifikuotas fermentų molekules. Prie fermentų molekulių būtų prijungiamos dideli giminiškumą reikalingam nanostrypelio metaliniam segmentui turinčios oligopeptidinės uodegėlės, kurios sukurtų sąlygas fermentams savaime organizuotis ant segmentuoto nanostrypelio paviršiaus. Magistrinio darbo užduotys buvo charakterizuoti susintetintus nanostrypelius, patikrinti ar modifikuotas giminiškomis sidabrui peptidinėmis uodegėlėmis streptavidinas sugeba prisijungti biotiną bei palyginti modifikuoto ir ir nemodifikuoto streptavidino giminiškumą sidabro paviršiui. Atlikus eksperimentus buvo nustatyta, kad naudojantis atominės jėgos mikroskopija nepavyko patikimai... [toliau žr. visą tekstą] / Biochemical enzyme cascade is a series of chemical reactions in which the products of one reaction are consumed in the next reaction. If one could organize all the necessary enzymes for the reaction in close quarters this could possibly lead to more effective cascade reactions. One way of organizing enzymes is by fusing them on barcoded nanowire matrices. This could be achieved by tayloring enzyme molecules with genetically engineered proteins for inorganics (GEPIs). My assignment was to characterise possible nanowire candidates for these biohybrid complexes using AFM and examine silver binding characteristics of GEPI taylored streptavidin using SERS. I could not realiably characterise nanowires because the interaction between AFM probe and nanowires was to interfering. Also the nanowires used to aggregate and it was difficult to separate them using ultrasound. 15nm diameter nanowires aggregated more thant 30nm diameter nanowires. Streptavidin taylored with Ag binding GEPIs showed stronger interaction with Ag electrode surface than ordinary streptavidin. Also this modified streptavidin was capable of binding with biotin. This proves that added oligopeptide chains did not negatively affect the chemical structure of streptavidin.

abstract: DNA has recently emerged as an extremely promising material to organize molecules on nanoscale. The reliability of base recognition, self-assembling behavior, and attractive structural properties of DNA are of unparalleled value in systems of this size. DNA scaffolds have already been used to organize a variety of molecules including nanoparticles and proteins. New protein-DNA bio-conjugation chemistries make it possible to precisely position proteins and other biomolecules on underlying DNA scaffolds, generating multi-biomolecule pathways with the ability to modulate inter-molecular interactions and the local environment. This dissertation focuses on studying the application of using DNA nanostructure to direct the self-assembly of other biomolecular networks to translate biochemical pathways to non-cellular environments. Presented here are a series of studies toward this application. First, a novel strategy utilized DNA origami as a scaffold to arrange spherical virus capsids into one-dimensional arrays with precise nanoscale positioning. This hierarchical self-assembly allows us to position the virus particles with unprecedented control and allows the future construction of integrated multi-component systems from biological scaffolds using the power of rationally engineered DNA nanostructures. Next, discrete glucose oxidase (GOx)/ horseradish peroxidase (HRP) enzyme pairs were organized on DNA origami tiles with controlled interenzyme spacing and position. This study revealed two different distance-dependent kinetic processes associated with the assembled enzyme pairs. Finally, a tweezer-like DNA nanodevice was designed and constructed to actuate the activity of an enzyme/cofactor pair. Using this approach, several cycles of externally controlled enzyme inhibition and activation were successfully demonstrated. This principle of responsive enzyme nanodevices may be used to regulate other types of enzymes and to introduce feedback or feed-forward control loops. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Biochemistry 2013

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第23437号 / エネ博第424号 / 新制||エネ||81(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻 / (主査)教授 森井 孝, 教授 佐川 尚, 教授 片平 正人 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第21886号 / エネ博第387号 / 新制||エネ||75(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻 / (主査)教授 森井 孝, 教授 木下 正弘, 教授 片平 正人 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DGAM

Mikroorganismen sind in der Lage, zahlreiche Xenobiotika abzubauen. Dazu nutzen sie unter aeroben Bedingungen oft einleitend Oxygenasen. Durch diese kann molekularer Luftsauerstoff aktiviert und auf organische Moleküle übertragen werden. Danach können die Verbindungen in den Metabolismus der Mikroorganismen eingeschleust und teils oder vollständig abgebaut werden. Am Beispiel des Styrols zeigen wir hier eine solche Abbauroute und wie wir diese biotechnologisch nutzen können, um interessante Verbindungen zu synthetisieren. Zielmoleküle der gesamten Enzymkaskade sind dabei diverse Phenylessigsäurederivate.

Mikroorganismen sind in der Lage, zahlreiche Xenobiotika abzubauen. Dazu nutzen sie unter aeroben Bedingungen oft einleitend Oxygenasen. Durch diese kann molekularer Luftsauerstoff aktiviert und auf organische Moleküle übertragen werden. Danach können die Verbindungen in den Metabolismus der Mikroorganismen eingeschleust und teils oder vollständig abgebaut werden. Am Beispiel des Styrols zeigen wir hier eine solche Abbauroute und wie wir diese biotechnologisch nutzen können, um interessante Verbindungen zu synthetisieren. Zielmoleküle der gesamten Enzymkaskade sind dabei diverse Phenylessigsäurederivate.