Photoswitchable gating of non-equilibrium enzymatic feedback in chemically communicating polymersome nanoreactors

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作者
Omar Rifaie‐Graham,Jonathan Yeow,Adrian Najer,Richard Wang,Rujie Sun,Kun Zhou,Tristan Dell,Christopher Adrianus,Chalaisorn Thanapongpibul,Mohamed Chami,Stephen Mann,Javier Read de Alaniz,Molly M. Stevens
出处
期刊:Nature Chemistry [Springer Nature]
卷期号:15 (1): 110-118 被引量:95
标识
DOI:10.1038/s41557-022-01062-4
摘要

Abstract The circadian rhythm generates out-of-equilibrium metabolite oscillations that are controlled by feedback loops under light/dark cycles. Here we describe a non-equilibrium nanosystem comprising a binary population of enzyme-containing polymersomes capable of light-gated chemical communication, controllable feedback and coupling to macroscopic oscillations. The populations consist of esterase-containing polymersomes functionalized with photo-responsive donor–acceptor Stenhouse adducts (DASA) and light-insensitive semipermeable urease-loaded polymersomes. The DASA–polymersome membrane becomes permeable under green light, switching on esterase activity and decreasing the pH, which in turn initiates the production of alkali in the urease-containing population. A pH-sensitive pigment that absorbs green light when protonated provides a negative feedback loop for deactivating the DASA–polymersomes. Simultaneously, increased alkali production deprotonates the pigment, reactivating esterase activity by opening the membrane gate. We utilize light-mediated fluctuations of pH to perform non-equilibrium communication between the nanoreactors and use the feedback loops to induce work as chemomechanical swelling/deswelling oscillations in a crosslinked hydrogel. We envision possible applications in artificial organelles, protocells and soft robotics.
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