In-cell engineering kan een krachtig hulpmiddel zijn voor het synthetiseren van functionele eiwitkristallen met veelbelovende katalytische eigenschappen, laten onderzoekers van Tokyo Tech zien. Met behulp van genetisch gemodificeerde bacteriën als milieuvriendelijk syntheseplatform produceerden de onderzoekers hybride vaste katalysatoren voor kunstmatige fotosynthese. Deze katalysatoren vertonen een hoge activiteit, stabiliteit en duurzaamheid, wat het potentieel van de voorgestelde innovatieve aanpak benadrukt.

Eiwitkristallen zijn, net als gewone kristallen, goed geordende moleculaire structuren met uiteenlopende eigenschappen en een enorm potentieel voor maatwerk. Ze kunnen op natuurlijke wijze worden samengesteld uit materialen die in cellen worden aangetroffen, waardoor niet alleen de synthesekosten aanzienlijk worden verlaagd, maar ook de impact op het milieu wordt verminderd.

Hoewel eiwitkristallen veelbelovend zijn als katalysator omdat ze verschillende functionele moleculen kunnen huisvesten, maken de huidige technieken alleen de aanhechting van kleine moleculen en eenvoudige eiwitten mogelijk. Het is dus absoluut noodzakelijk om manieren te vinden om eiwitkristallen te produceren die zowel natuurlijke enzymen als synthetische functionele moleculen bevatten om hun volledige potentieel voor enzymimmobilisatie te benutten.

Tegen deze achtergrond heeft een team van onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), onder leiding van professor Takafumi Ueno, een innovatieve strategie ontwikkeld om hybride vaste katalysatoren te produceren op basis van eiwitkristallen. Zoals uitgelegd in hun artikel gepubliceerd in Nano Letters op 12 juli 2023 combineert hun aanpak in-cell engineering en een eenvoudig in vitro proces om katalysatoren voor kunstmatige fotosynthese te produceren.

De bouwsteen van de hybride katalysator is een eiwitmonomeer dat is afgeleid van een virus dat de Bombyx mori zijderups infecteert. De onderzoekers introduceerden het gen dat voor dit eiwit codeert in de Escherichia coli-bacterie, waar de geproduceerde monomeren trimeren vormden die zich op hun beurt spontaan assembleerden tot stabiele veelvlakkenkristallen (PhC's) door aan elkaar te binden via hun N-terminale α-helix (H1). ).

Bovendien introduceerden de onderzoekers een aangepaste versie van het formiaat dehydrogenase (FDH) gen uit een gistsoort in het E. coli-genoom. Dit gen zorgde ervoor dat de bacteriën FDH-enzymen met H1-terminals produceerden, wat leidde tot de vorming van hybride H1-FDH@PhC-kristallen in de cellen.

Het team haalde de hybride kristallen uit de E. coli-bacterie door middel van sonicatie en gradiëntcentrifugatie, en drenkte ze in een oplossing die een kunstmatige fotosensitizer bevatte, genaamd eosine Y (EY). Als resultaat hiervan vergemakkelijkten de eiwitmonomeren, die zodanig genetisch waren gemodificeerd dat hun centrale kanaal een eosine Y-molecuul kon huisvesten, de stabiele binding van EY aan het hybride kristal in grote hoeveelheden.

Door dit ingenieuze proces is het team erin geslaagd zeer actieve, recycleerbare en thermisch stabiele EY·H1-FDH@PhC-katalysatoren te produceren die kooldioxide (CO₂ ) naar formaat (HCOO ⁻ ) bij blootstelling aan licht, wat fotosynthese nabootst. Bovendien behielden ze 94,4% van hun katalytische activiteit na immobilisatie vergeleken met die van het vrije enzym.

"De conversie-efficiëntie van het voorgestelde hybride kristal was een orde van grootte hoger dan die van eerder gerapporteerde verbindingen voor enzymatische kunstmatige fotosynthese op basis van FDH", zegt prof. Ueno. "Bovendien bleef de hybride PhC in de staat van de vaste eiwitassemblage na zowel in vivo als in vitro engineeringprocessen te hebben doorstaan, wat het opmerkelijke kristallisatievermogen en de sterke plasticiteit van PhC's als inkapselende scaffolds aantoont."

Over het geheel genomen toont deze studie het potentieel van bio-engineering bij het faciliteren van de synthese van complexe functionele materialen. "De combinatie van in vivo en in vitro technieken voor het inkapselen van eiwitkristallen zal waarschijnlijk een effectieve en milieuvriendelijke strategie opleveren voor onderzoek op het gebied van nanomaterialen en kunstmatige fotosynthese", besluit prof. Ueno.

Meer informatie: Tiezheng Pan et al., In-Cell Engineering van eiwitkristallen tot hybride vaste katalysatoren voor kunstmatige fotosynthese, Nano Letters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c02355

Journaalinformatie: Nanobrieven

Aangeboden door het Tokyo Institute of Technology