Cоздание гибридных твердых катализаторов

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 экологичны, что открывает путь к новому подходу к иммобилизации ферментов.

Исследователи из Токийского технологического института продемонстрировали, что внутриклеточная инженерия является эффективным методом создания функциональных белковых кристаллов с многообещающими каталитическими свойствами.

Используя генетически измененные бактерии в качестве платформы для зеленого синтеза, исследователи создали гибридные твердые катализаторы для искусственного фотосинтеза. Эти катализаторы демонстрируют высокую активность, стабильность и долговечность, что подчеркивает потенциал предлагаемого инновационного подхода.

Структуры белковых кристаллов

Белковые кристаллы, как и обычные кристаллы, представляют собой хорошо упорядоченные молекулярные структуры с разнообразными свойствами и огромным потенциалом для настройки. Они могут собираться 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 перспективны в качестве катализаторов, поскольку они могут содержать различные функциональные молекулы, современные методы позволяют прикреплять только небольшие молекулы и простые белки. Таким образом, крайне важно найти способы производства белковых кристаллов, несущих как природные ферменты, так и синтетические функциональные молекулы, чтобы полностью раскрыть их потенциал для иммобилизации ферментов.

На этом фоне группа исследователей из Токийского технологического института (Tokyo Tech) под руководством профессора Такафуми Уэно разработала инновационную стратегию по производству гибридных твердых катализаторов на основе белковых кристаллов. Как поясняется в их статье, опубликованной в журнале Nano Letters 12 июля 2023 года, их подход сочетает внутриклеточную инженерию и простой процесс in vitro для производства катализаторов для искусственного фотосинтеза.

Графическое объяснение исследования. Фото: профессор Такафуми Уэно, Токийский технологический институт.

Строительным блоком гибридного катализатора является белковый мономер, полученный из вируса, поражающего тутового шелкопряда Bombyx mori . Исследователи внедрили ген, кодирующий этот белок, в бактерии Escherichia coli , где продуцированные мономеры образовывали тримеры, которые, в свою очередь, спонтанно собирались в стабильные кристаллы полиэдров (PhC), связываясь друг с другом через их N-концевую α-спираль (H1). ). Кроме того, исследователи внедрили модифицированную версию гена формиатдегидрогеназы (FDH) одного вида дрожжей в геном E. coli. Этот ген заставил бактерии вырабатывать ферменты FDH с концами H1, что приводило к образованию гибридных кристаллов H1-FDH α PhC внутри клеток.

Команда извлекла гибридные кристаллы из бактерий E. coli с помощью ультразвука и градиентного центрифугирования и погрузила их в раствор, содержащий искусственный фотосенсибилизатор под названием эозин 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 больших количествах.

Благодаря этому гениальному процессу команде удалось создать высокоактивные, пригодные для вторичной переработки и термически стабильные катализаторы EY•H1-FDH α-PhC, которые могут превращать углекислый газ (CO 2 ) в формиат (HCOO − ) под воздействием света, имитируя фотосинтез. Кроме того, после иммобилизации они сохранили 94,4% своей каталитической активности по сравнению с активностью свободного фермента.

• «Эффективность преобразования предложенного гибридного кристалла была на порядок выше, чем у ранее сообщавшихся соединений для ферментативного искусственного фотосинтеза на основе ФДГ», — подчеркивает профессор Уэно.
• «Более того, гибридный PhC оставался в состоянии сборки твердого белка после выдерживания как in vivo, так и in vitro инженерные процессы, демонстрирующие замечательную кристаллизующую способность и высокую пластичность ФЦ как инкапсулирующих каркасов».

В целом, это исследование демонстрирует потенциал биоинженерии в облегчении синтеза сложных функциональных материалов.

• «Сочетание методов инкапсуляции белковых кристаллов in vivo и in vitro, вероятно, обеспечит эффективную и экологически чистую стратегию исследований в области наноматериалов и искусственного фотосинтеза», — заключает профессор Уэно.

И мы очень надеемся, что эти усилия приведут нас к более зелёному будущему!

Источник

Метки: Катализаторы