プラズモニックナノ材料との界面での酵素の光駆動触媒制御

Light-driven catalytic regulation of enzymes at the interface with plasmonic nanomaterials.

• Heloise Ribeiro de Barros
• Fernando Lopez-Gallego
• Luis M Liz-Marzán

抄録

酵素の制御は、無細胞で段階的なバイオトランスフォーメーションを調整し、酵素の全体的な性能を最大化するために非常に重要である。プラズモニックナノ材料は、その顕著な光学特性を介して酵素の機能性を調整する絶好の機会を提供します。局所的な表面プラズモン共鳴（LSPR）は、光を照射することでナノ材料の表面での化学変換を変更するために使用することができます。入射光は、局所的な温度上昇（光熱効果）だけでなく、生成されたホットスポットやホット電子によって引き起こされる効果（光電子効果）に関連して、エネルギー的なプロセスを促進することができます。その結果、タンパク質-ナノ材料界面への光照射は酵素の機能に影響を与えます。これらの効果を利用して酵素活性を細かく遠隔制御するためには、ナノ材料の物理化学的特徴、入射光の特性、および分子間相互作用を支配するパラメータを最適化する必要があります。この観点からの記事では、LSPR励起を介して酵素機能を制御するためのプラズモニックナノ粒子の使用を示す関連する例を議論する。最後に、我々はまた、無細胞生合成経路の光駆動制御のためのマルチ酵素システムの固定化にプラズモニックナノ材料の使用を拡大することの重要性を強調する。この概念はまだ初期段階にあるが、我々は、新規の光制御されたバイオ触媒プラズモニックナノ複合体の開発を進め、バイオセンシング、応用生物触媒、および生物医学への応用を探求するために科学界を奨励している。

Regulation of enzymes is highly relevant toward orchestrating cell-free and stepwise biotransformations, thereby maximizing their overall performance. Plasmonic nanomaterials offer a great opportunity to tune the functionality of enzymes, through their remarkable optical properties. Localized surface plasmon resonances (LSPR) can be used to modify chemical transformations at the nanomaterial's surface, upon light irradiation. Incident light can promote energetic processes, which may be related to an increase of local temperature (photothermal effects), but also to effects triggered by generated hot-spots or hot-electrons (photoelectronic effects). As a consequence, light irradiation of the protein-nanomaterial interface affects enzyme functionality. To harness these effects to finely and remotely regulate enzyme activity, the physicochemical features of the nanomaterial, properties of the incident light and parameters governing molecular interactions must be optimized. In this perspective article, we discuss relevant examples that illustrate the use of plasmonic nanoparticles to control enzyme function through LSPR excitation. Finally, we also highlight the importance of expanding the use of plasmonic nanomaterials to the immobilization of multi-enzyme systems for light-driven regulation of cell-free biosynthetic pathways. Although this concept is living its infancy, we encourage the scientific community to advance in the development of novel light-controlled biocatalytic plasmonic nanoconjugates and explore their application in biosensing, applied biocatalysis, and biomedicine.