Прорыв в искусственном фотосинтезе: исследователи создают гибридные твердые катализаторы

Исследователи использовали внутриклеточную инженерию для производства гибридных твердых катализаторов для искусственного фотосинтеза с использованием белковых кристаллов. Эти катализаторы, созданные с помощью генетически модифицированных бактерий, высокоактивны, долговечны и экологически безопасны, что открывает путь к новому подходу к иммобилизации ферментов.

Исследователи из Токийского технологического института продемонстрировали, что внутриклеточная инженерия является эффективным способом создания функциональных кристаллов белка с многообещающими каталитическими свойствами. Используя генетически модифицированные бактерии в качестве платформы для зеленого синтеза, исследователи создали гибридные твердые катализаторы для синтетических… Фотосинтез. Эти катализаторы демонстрируют высокую активность, стабильность и долговечность, что подчеркивает потенциал предлагаемого инновационного подхода.

Белковые кристаллы, как и обычные кристаллы, представляют собой хорошо организованные молекулярные структуры, обладающие разнообразными свойствами и огромным потенциалом для настройки. Их можно синтезировать естественным путем из материалов, находящихся внутри клеток, что не только значительно снижает затраты на синтез, но и снижает их воздействие на окружающую среду.

Хотя кристаллы белка являются многообещающими катализаторами, поскольку они могут содержать различные функциональные молекулы, современные методы позволяют прикреплять только небольшие молекулы и простые белки. Таким образом, необходимо найти способы получения белковых кристаллов, несущих как природные ферменты, так и синтетические функциональные молекулы, чтобы полностью использовать их потенциал для иммобилизации ферментов.

На этом фоне группа исследователей из Токийского технологического института (Tokyo Tech) под руководством профессора Такафуми Уэно разработала инновационную стратегию производства гибридных твердотельных катализаторов на основе белковых кристаллов. Как описано в их статье, опубликованной в Нано-сообщения 12 июля 2023 г. · Их подход сочетает в себе внутриклеточное и простое проектирование. в лаборатории Процесс производства катализаторов искусственного фотосинтеза.

Иллюстрация исследования. Источник изображения: профессор Такафуми Уэно, Токийский технологический институт.

Строительным блоком гибридного катализатора является белковый мономер, полученный из A. вирус Который страдает Бомбикс мори шелкопряд. Исследователи ввели ген, кодирующий этот белок. кишечная палочка Бактерии, у которых образующиеся мономеры образуют тримеры, которые, в свою очередь, самопроизвольно собираются в стабильные полиэдрические кристаллы (ФК) путем связывания друг с другом через N-концевую альфа-спираль (Н1). Кроме того, исследователи представили модифицированную версию гена формиатдегидрогеназы (FDH) из A. Классифицировать Дрожжи в бактерии кишечной палочки Геном. Этот ген заставлял бактерии вырабатывать ферменты FDH с концами H1, что приводило к образованию гибридных кристаллов H1-FDH@PhC внутри клеток.

Команда извлекла гибридные кристаллы из бактерии кишечной палочки Бактерии посредством обработки ультразвуком, градиентного центрифугирования и замачивания в растворе, содержащем синтетический фотосенсибилизатор, называемый эозином Y (EY). В результате мономеры белка, которые были генетически модифицированы так, что их центральный канал мог содержать молекулу эозина Y, способствовали стабильному связыванию EY с гибридным кристаллом в объеме.

Благодаря этому гениальному процессу команда смогла произвести высокоактивные, пригодные для вторичной переработки и термически стабильные катализаторы EY·H1-FDH@PhC, способные преобразовывать углекислый газ (CO).₂) для форматирования (HCOO^—) при воздействии света, имитирующего процесс фотосинтеза. Кроме того, после иммобилизации они сохранили 94,4% своей каталитической активности по сравнению с активностью свободного фермента. «Эффективность преобразования предложенного гибридного кристалла была намного выше, чем у ранее сообщавшихся соединений для ферментативного искусственного фотосинтеза на основе ФДГ», — подчеркивает профессор Уэно. «Более того, гибридный PHC оставался в агрегатном состоянии твердого белка после переноса обоих В естественных условиях И в лаборатории инженерные процессы, демонстрирующие замечательную способность к кристаллизации и высокую пластичность PCC как инкапсулированных каркасов.

В целом, это исследование демонстрирует потенциал биоинженерии в облегчении синтеза сложных функциональных материалов. «Сочетание В естественных условиях И в лаборатории Технологии инкапсуляции белковых кристаллов, вероятно, обеспечат эффективную и экологически чистую стратегию исследований в области наноматериалов и искусственного фотосинтеза», — заключает профессор Уэно.

Мы, безусловно, надеемся, что эти усилия приведут нас к более зеленому будущему!

Ссылка: «Инженерия внутриклеточных белковых кристаллов в гибридные твердые катализаторы для искусственного фотосинтеза», Тезенг Пан, Басудев Майти, Сатоши Абэ, Тайки Морита и Такафуми Уэно, 12 июля 2023 г., Нано-сообщения.
doi: 10.1021/acs.nanolett.3c02355