Unraveling the Fundamental Aspects of Enzyme-powered Micromotors

Abstract

[eng] Enzyme-powered motors are based on the micro- and nanosized particles that propel thanks to the chemical conversion of enzymes attached on their surface. Recently, these tiny devices have been applied for a plethora of applications ranging from biomedicine to decontamination, sensing and bacteria elimination. However, the actual motion mechanism of enzyme-powered navigation is heavily understudied. This thesis appears as a response to the need of unraveling the fundamental aspects of biocatalytic propulsion. The initial object of study was the effect of the intrinsic properties of enzymes on active motion (e.g. turnover number and the structural flexibility). Different enzymes were tested to power motion and expand the library of available engines. Active motion was analyzed under different concentrations of substrates and inhibitors. In parallel, we tested enzymatic activity and structural flexibility through molecular dynamics simulations. Form this we concluded that active motion is directly dependent on the catalytic rate, and that conformational changes should always be considered since they constitute a prerequisite for catalysis. Further, the extrinsic conditions were studied in terms of ionic media composition. Through wet lab experiments and a physical model, we analyzed the negative influence of external ionic species on the active motion mechanism. We discarded any effect of sedimentation and surface interaction through 3D tracking using digital holographic microscopy. The influence of external ions on navigation shed light on the ionic self-diffusiophoretic mechanism behind the propulsion of enzymatic motors. This effect was circumvented by coating the motor surface with a charged polymer, which allowed for motion under intermediate ionic strengths. Finally, the aforementioned knowledge was used for the implementation of enzymatic micro- and nanomotors for the in vivo treatment of bacterial infections. Antimicrobial peptides were coated on the motors and the system was thoroughly characterized. The micro- and nanomotors were tested against different planktonic bacteria to check their effectivity and antimicrobial mechanism. After, the antimicrobial motors powered by enzymes were applied at an extreme of an infected wound on the skin of a murine model. Disinfection was only achieved using actively moving motors with antimicrobial peptide, and the alternative passive treatments only treated the infection locally. This thesis constitutes a relevant step forward on elucidating the intrinsic and extrinsic fundamental aspects that are key for enzyme-powered micro- and nanomotors and uses the knowledge acquired to improve future implementations.

[cat] Els micro- i nanomotors propulsats per enzims estan constituïts per partícules que naveguen gràcies a la catàlisi d’enzims a la seva superfície. Recentment, aquests nadadors micro-/nanomètrics s'han aplicat per a una gran varietat d'aplicacions que van des de la biomedicina fins a la descontaminació d’aigües, la detecció bioquímica i l'eliminació bacteriana. Tanmateix, el mecanisme de moviment de la propulsió enzimàtica és encara incert. Aquesta tesi apareix com una resposta a la necessitat de desentranyar aquests aspectes fonamentals. L'objecte inicial d'estudi va ser l'efecte de les propietats intrínseques dels enzims sobre el moviment actiu, com ara la freqüència de reacció i la flexibilitat estructural de l’enzim. El moviment actiu es va estudiar amb diferents enzims diverses concentracions de substrats i inhibidors. En paral·lel es va comprovar l'activitat enzimàtica i la flexibilitat estructural. D'aquesta manera es va concloure que l’autopropulsió és directament depenent de la freqüència catalítica i que sempre s'han de tenir en compte els canvis conformacionals, donat que constitueixen un requisit previ per a la catàlisi. També es van estudiar les condicions extrínseques en termes de composició del medi iònic. Mitjançant experiments i models físics vam analitzar l’efecte negatiu de les espècies iòniques externes en el mecanisme de moviment actiu. Vam descartar qualsevol efecte de sedimentació o interacció amb superfícies mitjançant la detecció de moviment en 3D. La influència dels ions externs en la navegació va clarificar el mecanisme iònic autodifusioforètic que propulsa els motors enzimàtics. Aquesta limitació de moviment en medi iònic es solucionar recobrint la superfície del motor amb un polímer, permetent la propulsió en concentracions iòniques intermèdies. Finalment, els coneixements fonamentals esmentats es van aplicar per a la implementació de micro- i nanomotors enzimàtics per al tractament in vivo d’infeccions bacterianes. Els motors enzimàtics es van recobrir amb pèptids antimicrobians i el sistema es va caracteritzar a fons. Els motors es van testejar contra bacteris planctònics per comprovar la seva efectivitat i mecanisme antimicrobià. Per últim, els motors enzimàtics antimicrobians es van aplicar a l'extrem d'una ferida infectada a la pell d'un model murí. La desinfecció només es va aconseguir mitjançant motors en moviment actiu amb pèptids antimicrobians, mentre els tractaments passius només van remetre la infecció localment. Aquesta tesi constitueix un rellevant pas endavant per dilucidar els aspectes fonamentals intrínsecs i extrínsecs que són clau per als micro- i nanomotors enzimàtics i aprofita els coneixements adquirits per millorar futures implementacions.