Wetenschappers hebben voor het eerst een bouwsteen herontworpen van een geometrisch nanocompartiment dat van nature in bacteriën voorkomt. Ze introduceerden een metalen bindingsplaats in de schaal waarmee elektronen van en naar het compartiment kunnen worden overgebracht. Dit zorgt voor een geheel nieuwe functionaliteit, het potentieel van nanocompartimenten om als op maat gemaakte chemische fabrieken te dienen enorm vergroot.

Wetenschappers hopen dit nieuwe gebruik op maat te maken om hoogwaardige chemische producten te produceren, zoals medicijnen, op aanvraag.

De stevige nanocompartimenten, die veelvlakkige schelpen zijn die zijn samengesteld uit driehoekige zijden en lijken op dobbelstenen met 20 zijden, worden gevormd door honderden kopieën van slechts drie verschillende soorten eiwitten. Hun natuurlijke tegenhangers, bekend als bacteriële microcompartimenten of BMC's, omsluiten een grote verscheidenheid aan enzymen die zeer gespecialiseerde chemie in bacteriën uitvoeren.

Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy bedachten synthetische schaalstructuren die zijn afgeleid van die gevonden in een staafvormig, in de oceaan levende bacterie, Haliangium ochraceum, en herontworpen een van de shell-eiwitten om te dienen als een steiger voor een ijzer-zwavelcluster dat in vele vormen van leven wordt aangetroffen. Het cluster staat bekend als een "cofactor" omdat het kan dienen als een hulpmolecuul bij biochemische reacties.

BMC-gebaseerde shells zijn klein, duurzaam en natuurlijk zelf te monteren en zelf te repareren, waardoor ze beter geschikt zijn voor een reeks toepassingen dan volledig synthetische nanostructuren.

"Dit is de eerste keer dat iemand functionaliteit in een schaal heeft geïntroduceerd. We dachten dat de belangrijkste functionaliteit om te introduceren de mogelijkheid was om elektronen in of uit de schaal over te brengen, " zei Cheryl Kerfeld, een structureel bioloog bij Berkeley Lab en corresponderende auteur in deze studie. De onderzoeksgroep van Kerfeld richt zich op BMC's. Kerfeld heeft gezamenlijke afspraken met Berkeley Lab's Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB) Division, UC Berkeley en het MSU-DOE Plant Research Laboratory aan de Michigan State University (MSU).

"Dat vergroot enorm de veelzijdigheid van de soorten chemicaliën die je in de schaal kunt inkapselen en het spectrum van te produceren producten, "zei ze. "Typisch, de schelpen worden gezien als gewoon passieve barrières."

Onderzoekers gebruikten röntgenstralen bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) om te laten zien, in 3D en op atomaire schaal, hoe het geïntroduceerde ijzer-zwavelcluster zich bindt aan het gemanipuleerde eiwit.

Het onderzoek staat nu online in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Enzymen in natuurlijke BMC's kunnen koolstofdioxide omzetten in organische verbindingen die door de bacteriën kunnen worden gebruikt, isoleer giftige of vluchtige verbindingen uit de omringende cel, en andere chemische reacties uit te voeren die de cel van energie voorzien.

In dit onderzoek, onderzoekers introduceerden het ijzer-zwavelcluster in de kleine poriën in de schaalbouwsteen. Dit gemanipuleerde eiwit dient als een elektronenrelais over de schaal, wat de sleutel is tot het beheersen van de chemische reactiviteit van stoffen in de schaal.

Clemens Aussignargues, de hoofdauteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker in het MSU-DOE Plant Research Laboratory in Michigan, zei, "Het mooie van ons systeem is dat we nu alle tools hebben, met name de kristallografische structuur van het gemanipuleerde eiwit, om de redoxpotentiaal van het systeem te wijzigen - het vermogen om elektronen op te nemen (reductie) of elektronen af ​​te geven (oxidatie).

"Als we dit kunnen beheersen, we kunnen het scala aan chemische reacties uitbreiden dat we in de schaal kunnen inkapselen. De limiet van deze toepassingen is wat we in de shells stoppen, niet de schelpen zelf."

Hij voegde toe, "Vanaf het begin een nieuw microcompartiment maken zou heel, erg ingewikkeld. Daarom nemen we wat de natuur ons voorhoudt en proberen we toe te voegen aan wat de natuur kan doen."

Om de metalen bindingsplaats te ontwerpen, De groep van Kerfeld moest eerst de structuren van de bouwstenen van het nanocompartiment oplossen om als sjabloon voor het ontwerp te gebruiken. Deze bouwstenen assembleren zichzelf tot kunststof omhulsels, die slechts 40 nanometer meten, of miljardsten van een meter, in diameter. De natuurlijke vorm van de schelpen kan tot 12 keer groter zijn.

De ijzer-zwavel-cofactor van het gemanipuleerde eiwit, die werd geproduceerd in E. coli-bacteriën, was zeer stabiel, zelfs na verschillende redoxcycli - een kenmerk dat essentieel is voor toekomstige toepassingen, zei Ausignargues. "Het gemanipuleerde eiwit was ook stabieler dan zijn natuurlijke tegenhanger, wat een grote verrassing was, " zei hij. "Je kunt het behandelen met dingen waardoor eiwitten normaal gesproken uit elkaar vallen en tot rust komen."

Een grote uitdaging in het onderzoek was om het gemanipuleerde eiwit in een zuurstofvrije omgeving te bereiden om kleine kristallen te vormen die hun structuur en hun cofactor het beste behouden voor röntgenbeeldvorming, zei Kerfeld. De kristallen werden bereid in een luchtdichte handschoenenkast bij MSU, bevroren, en vervolgens verscheept voor röntgenonderzoeken bij Berkeley Lab's ALS en SLAC National Accelerator Laboratory's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL).

Bij vervolgwerkzaamheden het onderzoeksteam onderzoekt hoe verschillende metaalcentra in BMC-schalen kunnen worden opgenomen om toegang te krijgen tot een ander bereik van chemische reactiviteit, ze zei.

"Ik ben bezig met het inbouwen van een heel ander metaalcentrum, die een zeer positief reductiepotentieel heeft in vergelijking met de ijzer-zwavelcluster, " zei Jeff Plegaria, een postdoctoraal onderzoeker bij het MSU-DOE Plant Research Laboratory die heeft bijgedragen aan de laatste studie. "Maar het is hetzelfde soort idee:om elektronen in of uit het compartiment te drijven."

Hij voegde toe, "De volgende stap is het inkapselen van eiwitten die elektronen in de schillen kunnen opnemen, en om dat als een sonde te gebruiken om de elektronenoverdracht van de buitenkant van het compartiment naar de binnenkant te bekijken." Dat zal onderzoekers dichter bij het maken van specifieke soorten geneesmiddelen of andere chemicaliën brengen.