Výskumníci použili vnútrobunkové inžinierstvo na výrobu hybridných pevných katalyzátorov pre umelú fotosyntézu pomocou proteínových kryštálov. Tieto katalyzátory, vytvorené prostredníctvom geneticky modifikovaných baktérií, sú vysoko aktívne, udržateľné a šetrné k životnému prostrediu, čím pripravujú cestu pre nový prístup v imobilizácii enzýmov.
Výskumníci z Tokyo Tech preukázali, že bunkové inžinierstvo je účinnou metódou na vytváranie funkčných proteínových kryštálov so sľubnými katalytickými vlastnosťami. Pomocou geneticky modifikovaných baktérií ako platformy zelenej syntézy vedci vyrobili hybridné tuhé katalyzátory pre umelé Fotosyntéza, Tieto katalyzátory vykazujú vysokú aktivitu, stabilitu a trvanlivosť, čo zdôrazňuje potenciál navrhovaného nového prístupu.
Proteínové kryštály, rovnako ako bežné kryštály, sú dobre usporiadané molekulárne štruktúry s rôznymi vlastnosťami a veľkou schopnosťou adaptácie. Môžu byť prirodzene zostavené z materiálov nachádzajúcich sa v bunkách, čo nielenže výrazne znižuje náklady na syntézu, ale tiež znižuje ich vplyv na životné prostredie.
Hoci proteínové kryštály sú sľubné ako katalyzátory, pretože môžu hostiť rôzne funkčné molekuly, súčasné technológie umožňujú pripojenie iba malých molekúl a jednoduchých proteínov. Preto je potrebné nájsť spôsoby výroby proteínových kryštálov obsahujúcich prírodné enzýmy aj syntetické funkčné molekuly, aby sa využil ich plný potenciál na imobilizáciu enzýmov.
Na tomto pozadí tím výskumníkov z Tokijského technologického inštitútu (Tokyo Tech) pod vedením profesora Takafumiho Uena vyvinul inovatívnu stratégiu výroby hybridných pevných katalyzátorov na báze proteínových kryštálov. Ako sa uvádza v ich publikovanom článku nano písmeno 12. júla 2023 Ich prístup kombinuje inžinierstvo v bunke a jednoduché in vitro Proces výroby katalyzátorov pre umelú fotosyntézu.
Grafika vysvetľujúca výskum. Poďakovanie: Profesor Takafumi Ueno, Tokyo Institute of Technology
Stavebným blokom hybridného katalyzátora je odvodený proteínový monomér vírus ktorý infikuje bombyx mori Výskumníci priadky morušovej predstavili gén, ktorý kóduje tento proteín Escherichia coli baktérie, kde produkované monoméry tvoria triméry, ktoré sa zase zostavujú do stabilných polyhedrických kryštálov (PHC) tým, že sa navzájom spájajú prostredníctvom svojich N-koncových a-helixov (H1). Okrem toho vedci predstavili modifikovanú verziu génu formiátdehydrogenázy (FDH). druhov droždia v e coli genóm. Tento gén indukoval baktérie, aby produkovali FDH enzýmy s H1 terminálmi, čo viedlo k vytvoreniu hybridných kryštálov H1-FDH@PhC v bunkách.
Tím prináša hybridný krištáľ e coli Baktérie boli testované sonikáciou a gradientovou centrifugáciou a namočené v roztoku obsahujúcom umelý fotosenzibilizátor nazývaný eozín Y (EY). Výsledkom bolo, že proteínové monoméry, ktoré boli geneticky modifikované tak, aby ich centrálny kanál mohol hostiť molekulu eozínu Y, uľahčili stabilnú väzbu EY vo veľkých množstvách hybridných kryštálov.
Prostredníctvom tohto jednoduchého procesu sa tímu podarilo vyrobiť vysoko aktívny, opakovane použiteľný a tepelne stabilný katalyzátor EY·H1-FDH@PhC, ktorý dokáže premieňať oxid uhličitý (CO2) vo formáte (HCOO), keď sú vystavené svetlu, napodobňujúce fotosyntézu. Okrem toho si po imobilizácii zachovali 94,4 % svojej katalytickej aktivity v porovnaní s voľným enzýmom. „Účinnosť konverzie navrhovaného hybridného kryštálu bola rádovo vyššia ako účinnosť predtým uvádzaných zlúčenín pre enzymatickú umelú fotosyntézu založenú na FDH,“ zdôraznil profesor Ueno. „Okrem toho hybridný PHC zostal v stave zostavy pevného proteínu po tolerovaní oboch in vivo A in vitro Inžinierske procesy demonštrujú pozoruhodnú kryštalizačnú schopnosť a silnú plasticitu PhC ako enkapsulačného skeletu.
Celkovo táto štúdia demonštruje potenciál bioinžinierstva pri uľahčovaní syntézy komplexných funkčných materiálov. „Kombinácia in vivo A in vitro „Technológia zapuzdrenia proteínových kryštálov potenciálne poskytne efektívnu a ekologickú stratégiu výskumu v oblasti nanomateriálov a umelej fotosyntézy,“ uzavrel profesor Ueno.
A dúfame, že toto úsilie nás privedie k zelenšej budúcnosti!
Odkaz: „In-cell inžinierstvo proteínových kryštálov na hybridné pevné katalyzátory pre umelú fotosyntézu“ od Tiezheng Pan, Basudev Maiti, Satoshi Abe, Taki Morita a Takafumi Ueno, 12. júla 2023, nano písmeno,
DOI: 10.1021/acs.nanolet.3c02355
