Araştırmacılar, protein kristallerini kullanarak yapay fotosentez için hibrit katı katalizörler üretmek amacıyla hücre içi mühendislikten yararlandı. Genetiği değiştirilmiş bakteriler aracılığıyla oluşturulan bu katalizörler son derece aktif, dayanıklı ve çevre dostu olup, enzim immobilizasyonunda yeni bir yaklaşımın önünü açıyor.
Tokyo Tech’teki araştırmacılar hücre içinde bunun mümkün olduğunu gösterdi. Mühendislik, umut verici katalitik özelliklere sahip fonksiyonel protein kristalleri oluşturmak için etkili bir yöntemdir. Araştırmacılar, genetiği değiştirilmiş bakterileri yeşil bir sentez platformu olarak kullanarak, yapay fotosentez için hibrit katı katalizörler ürettiler. Bu katalizörler yüksek aktivite, stabilite ve dayanıklılık sergileyerek önerilen yenilikçi yaklaşımın potansiyelini vurgulamaktadır.
Protein kristalleri, normal kristaller gibi, çeşitli özelliklere ve büyük bir kişiselleştirme potansiyeline sahip, iyi düzenlenmiş moleküler yapılardır. Hücrelerin içinde bulunan malzemelerden doğal olarak bir araya gelebilirler; bu, yalnızca sentez maliyetlerini büyük ölçüde azaltmakla kalmaz, aynı zamanda çevresel etkilerini de azaltır.
Protein kristalleri, çeşitli işlevsel molekülleri barındırabildikleri için katalizör olarak umut verici olsa da, mevcut teknikler yalnızca bunu mümkün kılmaktadır. küçük moleküllerin ve basit proteinlerin bağlanması. Bu nedenle, enzim immobilizasyonuna yönelik tüm potansiyellerini ortaya çıkarmak için hem doğal enzimleri hem de sentetik fonksiyonel molekülleri taşıyan protein kristalleri üretmenin yollarını bulmak zorunludur.
Bu arka plana karşı, Tokyo Teknoloji Enstitüsü’nden (Tokyo) araştırmacılardan oluşan bir ekip Profesör Takafumi Ueno liderliğindeki Tech), protein kristallerine dayalı hibrit katı katalizörler üretmek için yenilikçi bir strateji geliştirdi. 12 Temmuz 2023’te Nano Letters’da yayınlanan makalelerinde açıklandığı gibi, yaklaşımları hücre içi mühendisliği ve basit bir in vitro süreci birleştirerek yapay fotosentez için katalizörler üretiyor.
Araştırmayı açıklayan grafik . Katkı Sağlayan: Profesör Takafumi Ueno, Tokyo Teknoloji Enstitüsü
Hibrit katalizörün yapı taşı, Bombyx mori ipekböceğini enfekte eden bir virüsten türetilen bir protein monomeridir. Araştırmacılar, bu proteini kodlayan geni Escherichia coli bakterisine tanıttı; burada üretilen monomerler, N-terminal a-sarmalları (H1) aracılığıyla birbirlerine bağlanarak kendiliğinden stabil çokyüzlü kristallere (PhC’ler) dönüşen trimerler oluşturdu. ). Ek olarak araştırmacılar, bir maya türünden alınan format dehidrojenaz (FDH) geninin değiştirilmiş bir versiyonunu E. coli genomuna eklediler. Bu gen, bakterilerin H1 terminallerine sahip FDH enzimleri üretmesine neden olarak hücreler içinde hibrit H1-FDH@PhC kristallerinin oluşmasına yol açtı.
Ekip, sonikasyon yoluyla E. coli bakterisinden hibrit kristalleri çıkardı. ve gradyan santrifüjleme ve bunları eozin Y (EY) adı verilen yapay bir ışığa duyarlılaştırıcı içeren bir çözeltiye batırdı. Sonuç olarak, merkezi kanalları bir eozin Y molekülünü barındırabilecek şekilde genetik olarak değiştirilmiş olan protein monomerleri, EY’nin hibrit kristale büyük miktarlarda stabil bağlanmasını kolaylaştırdı.
Bu ustaca işlem aracılığıyla, ekip, fotosentezi taklit ederek ışığa maruz kaldığında karbondioksiti (CO2) formata (HCOO−) dönüştürebilen oldukça aktif, geri dönüştürülebilir ve termal olarak kararlı EY·H1-FDH@PhC katalizörleri üretmeyi başardı. Ayrıca serbest enzimle karşılaştırıldığında immobilizasyon sonrasında katalitik aktivitelerinin %94,4’ünü korudular. Prof. Ueno, “Önerilen hibrit kristalin dönüşüm verimliliği, FDH’ye dayalı enzimatik yapay fotosentez için daha önce rapor edilen bileşiklerden çok daha yüksekti” diye vurguluyor. “Ayrıca, hibrit PhC, hem in vivo hem de in vitro mühendislik süreçlerine dayandıktan sonra katı protein düzeneği durumunda kaldı ve bu, PhC’lerin kapsülleyici yapı iskeleleri olarak dikkate değer kristalleşme kapasitesini ve güçlü plastisitesini ortaya koydu.”
Genel olarak, bu çalışma şunları göstermektedir: karmaşık fonksiyonel malzemelerin sentezini kolaylaştırmada biyomühendisliğin potansiyeli. Prof. Ueno şu sonuca varıyor: “Protein kristallerinin kapsüllenmesine yönelik in vivo ve in vitro tekniklerin kombinasyonu, nanomalzemeler ve yapay fotosentez alanlarındaki araştırmalar için muhtemelen etkili ve çevre dostu bir strateji sağlayacaktır.”
Ve biz bu çabaların bizi daha yeşil bir geleceğe götüreceğini umuyoruz!
Referans: Tiezheng Pan, Basudev Maity, Satoshi Abe, Taiki Morita ve “Yapay Fotosentez için Hibrit Katı Katalizörlere Protein Kristallerinin Hücre İçi Mühendisliği” Takafumi Ueno, 12 Temmuz 2023, Nano Mektuplar.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02355