Onderzoekers van de Universiteit van Liverpool hebben nieuwe mogelijkheden ontsloten voor de toekomstige ontwikkeling van duurzame, schone bio-energie. De studie, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , laat zien hoe 'kooien' van bacteriële eiwitten kunnen worden geherprogrammeerd als bioreactoren op nanoschaal voor waterstofproductie.

Het carboxysoom is een gespecialiseerd bacterieel organel dat de essentiële CO . inkapselt ₂ -fixerend enzym Rubisco in een virusachtig eiwitomhulsel. De natuurlijk ontworpen architectuur, semi-permeabiliteit, en katalytische verbetering van carboxysomen hebben het rationele ontwerp en de engineering van nieuwe nanomaterialen geïnspireerd om verschillende enzymen in de schaal op te nemen voor verbeterde katalytische prestaties.

De eerste stap in het onderzoek bestond uit het installeren van specifieke genetische elementen in de industriële bacterie E coli om lege carboxysoomschillen te produceren. Ze identificeerden verder een kleine 'linker' - een inkapselingspeptide genaamd - die externe eiwitten in de schaal kan sturen.

Het extreem zuurstofgevoelige karakter van hydrogenasen (enzymen die de aanmaak en omzetting van waterstof katalyseren) is een al lang bestaand probleem voor de waterstofproductie in bacteriën, dus ontwikkelde het team methoden om katalytisch actieve hydrogenasen in de lege schaal op te nemen.

Projectleider Professor Luning Liu, Hoogleraar Microbiële Bio-energetica en Bioengineering aan het Institute of Systems, Moleculaire en integratieve biologie, zei:"Onze nieuw ontworpen bioreactor is ideaal voor zuurstofgevoelige enzymen, en markeert een belangrijke stap om een ​​biofabriek voor waterstofproductie te kunnen ontwikkelen en produceren."

In samenwerking met professor Andy Cooper in de Materials Innovation Factory (MIF) van de universiteit, de onderzoekers testten vervolgens de waterstofproductieactiviteiten van de bacteriële cellen en de biochemisch geïsoleerde nanobioreactoren. De nanobioreactor bereikte een verbetering van ~550% in waterstofproductie-efficiëntie en een grotere zuurstoftolerantie in tegenstelling tot de enzymen zonder omhulselinkapseling.

"De volgende stap voor ons onderzoek is het beantwoorden van hoe we het inkapselingssysteem verder kunnen stabiliseren en de opbrengsten kunnen verbeteren, " zei professor Liu. "We zijn ook verheugd dat dit technische platform de deur voor ons opent, in toekomstige studies, om een ​​breed scala aan synthetische fabrieken te creëren om verschillende enzymen en moleculen te omhullen voor aangepaste functies."

eerste auteur, doctoraat student Tianpei Li, zei:"Als gevolg van klimaatverandering, er is een dringende noodzaak om de uitstoot van kooldioxide door de verbranding van fossiele brandstoffen te verminderen. Onze studie baant de weg voor de engineering van carboxysome shell-gebaseerde nanoreactoren om specifieke enzymen te rekruteren en opent de deur naar nieuwe mogelijkheden voor het ontwikkelen van duurzame, schone bio-energie."