Een nieuwe hybride ferritine-nanokooi met histidine-residuen vertoont een 1,5 keer hogere opname van metaalionen en verbeterde katalytische efficiëntie voor alcoholproductie, volgens onderzoekers van Tokyo Tech in een nieuwe studie. Hun bevindingen suggereren dat hybride bio-nanocages effectief reacties zouden kunnen katalyseren om industrieel belangrijke producten op te leveren.

Biologische polymeren kunnen zichzelf spontaan assembleren tot complexe structuren die lijken op vaten of kooien, maar veel kleiner zijn, en worden 'nano-kooien' genoemd. Deze structuren kunnen een breed scala aan moleculen bevatten die zich als 'gasten' gedragen. Een populair voorbeeld is de "ferritine-nanokooi", die wordt gevormd door de zelfassemblage van 24 subeenheden in het eiwit ferritine en metaalionen kan omsluiten die belangrijke katalysatoren zijn. Met behulp van deze metaalionen zet een katalytische reactie elk substraat om in een product. Hoewel algemeen bekend, moeten de potentiële toepassingen van de ferritinekooi in de industrie nog volledig worden onderzocht.

Tot dusverre hebben de meeste pogingen om de opname van metaalionen in ferritine te verhogen geresulteerd in kooien met een lage stabiliteit. Om de "gast" goed in de kooi te laten zitten, is een effectief ontwerp de sleutel. Met dat in gedachten introduceerde een team van wetenschappers onder leiding van prof. Takafumi Ueno, van het Tokyo Institute of Technology, Japan (Tokyo Tech), plaatsspecifieke mutaties in de kern van de ferritine-nanokooi en verhoogde de opname van iridiumcomplex (IrCp* ). Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Angewandte Chemie . Iridium is een essentiële katalysator in de productie van alcohol en wordt commercieel gebruikt in de farmaceutische, voedings- en chemische industrie.

Prof. Ueno legt uit:"Op basis van eerdere literatuur wisten we dat de aanwezigheid van coördinatie-aminozuren in de kooi de iridiumactiviteit verbetert en dat het vervangen van deze aminozuren door geschikte residuen het probleem zou kunnen verlichten. residuen zouden het werk doen." De auteurs gebruikten het aminozuur histidine om twee residuen, arginine en asparaginezuur van de reguliere (wildtype) ferritine-kooien te vervangen en creëerden de mutanten R52H en D38H. Opmerkelijk genoeg werden de montagestructuur of de kooigrootte niet beïnvloed door deze veranderingen.

Vervolgens voegden ze IrCp* toe aan de mutanten en ontdekten dat R52H 1,5 keer meer iridiumatomen kon insluiten dan de wildtype kooi (Figuur 1). Maar wat hen opviel was de D38H-mutant, die zich precies gedroeg als het wildtype. Dus waarom hadden beide mutaties niet hetzelfde effect? Volgens prof. Ueno:"Dit houdt in dat niet alleen de aanwezigheid van het histidineresidu, maar ook de positie ervan cruciaal is om de opname-efficiëntie in de kooi te bepalen."

Met behulp van de nieuwe katalytische kooien waren de onderzoekers in staat om alcoholproductiesnelheden tot 88% te bereiken. Het is duidelijk dat de mutaties de voorkeur gaven aan een structurele herschikking van de reactiecomponenten, wat de conversiesnelheid verhoogde (Figuur 2).

Om te begrijpen hoe het substraat zich in de kooi gedroeg, gebruikten de onderzoekers simulaties waarbij de substraatmoleculen vrij binnen de nanokooi konden bewegen. Ze observeerden enkele interacties tussen het substraat en histidine in de R52H-mutant, die niet aanwezig waren in de wildtype kooi, d.w.z. het substraat vertoonde preferentiële binding in de nanokooi.

"Deze hybride bio-nanocages bleken ook zeer stabiel te zijn, wat suggereert dat ze kunnen worden gebruikt als levensvatbare katalysatoren in industriële toepassingen", concludeert prof. Ueno. Het huidige, op structuur gebaseerde ontwerp van het onderzoek naar de metaalionbindingsplaats kan worden verbeterd om nieuwe ferritinemutanten te creëren met selectieve opname van specifieke gastmoleculen, voor uiteenlopende katalytische toepassingen in de chemische en farmaceutische industrie. + Verder verkennen

Eiwitkooien voor het ontwerpen van verschillende katalytische reacties