L'activité des enzymes dans les procédés industriels, laboratoires, et les êtres vivants peuvent être contrôlés à distance grâce à la lumière. Cela nécessite leur immobilisation à la surface des nanoparticules et leur irradiation avec un laser. La lumière proche infrarouge peut pénétrer les tissus vivants sans les endommager. Les nanoparticules absorbent l'énergie du rayonnement et la restituent sous forme de chaleur ou d'effets électroniques, déclencher ou intensifier l'activité catalytique des enzymes. Cela configure un nouveau domaine d'étude connu sous le nom de biocatalyse plasmonique.

Des recherches menées à l'Institut de chimie de l'Université de São Paulo (IQ-USP) au Brésil ont étudié l'activité d'enzymes immobilisées sur des nanoparticules d'or contrôlées par irradiation laser infrarouge. Un article relatant les résultats est publié dans Catalyse ACS , un journal de l'American Chemical Society.

L'étude a été soutenue par la São Paulo Research Foundation—FAPESP via une bourse postdoctorale et une bourse pour un stage de recherche à l'étranger attribuée à l'auteur principal, Héloïse Ribeiro de Barros; une subvention d'équipement multi-utilisateurs; et le Projet Thématique « Optimisation des propriétés physico-chimiques des matériaux nanostructurés pour des applications en reconnaissance moléculaire, catalyse et conversion/stockage d'énergie", dirigé par Roberto Manuel Torresi.

"Nous avons utilisé une lipase [CaLB] comme enzyme modèle, immobilisé sur des nanoparticules d'or de deux formes :sphères et étoiles, " Ribeiro de Barros a dit. "Le laser infrarouge a accéléré l'activité de l'enzyme de manière non invasive simplement en l'irradiant avec de la lumière externe."

L'étude a montré que non seulement la composition du matériau mais aussi sa géométrie influençaient l'effet des nanoparticules sur l'enzyme. "L'activité enzymatique était significativement améliorée lorsque la lipase était immobilisée sur des nanoétoiles d'or, affichant une augmentation allant jusqu'à 58%, " Ribeiro de Barros a déclaré. "En comparaison, les nanosphères d'or ont favorisé une augmentation beaucoup plus faible de 13%. L'augmentation la plus importante correspond à l'effet de résonance entre les surfaces des nanoétoiles et le rayonnement du laser."

La magnitude considérée ici est la résonance plasmonique de surface localisée (LSPR). Alors que le LSPR des nanosphères absorbe à 525 nanomètres, celle des nanoétoiles atteint 700 nm, beaucoup plus proche de la longueur d'onde du laser infrarouge, qui est de 808 nm.

"La lumière incidente déclenche des processus énergétiques dans les nanoparticules d'or, comme une élévation de température ou des effets électroniques, et cela affecte les propriétés des enzymes qui sont immobilisées sur leurs surfaces, " Ribeiro de Barros a déclaré. "Il a été possible de conclure qu'un chauffage photothermique localisé sur les surfaces des nanoétoiles d'or favorisé par l'excitation LSPR a conduit à une biocatalyse améliorée des lipases. Cette conclusion peut être étendue à d'autres combinaisons d'enzymes et de nanoparticules plasmoniques."

Le large éventail d'applications potentielles comprend la biocatalyse pour accélérer les réactions chimiques à l'échelle industrielle et le contrôle in vivo des enzymes pathogènes. Dans un futur plus lointain, ce type de processus pourrait éventuellement être utilisé pour traiter des maladies telles que la maladie de Parkinson et la maladie d'Alzheimer. Des recherches supplémentaires seront nécessaires avant qu'il ne devienne une véritable alternative, bien sûr.

« Du point de vue médical, l'objectif principal de l'étude était de pointer des solutions dans un avenir proche pour le traitement des maladies sans recours à la chirurgie invasive et avec une approche spatiale et temporelle spécifique pour éviter les effets secondaires des méthodes actuelles, ", a déclaré Ribeiro de Barros.