Przełom w sztucznej fotosyntezie – naukowcy produkują hybrydowe katalizatory stałe

Naukowcy z Tokyo Tech wykazali, że inżynieria wewnątrzkomórkowa to skuteczny sposób tworzenia funkcjonalnych kryształów białek o obiecujących właściwościach katalitycznych. Wykorzystując genetycznie zmodyfikowane bakterie jako platformę zielonej syntezy, badacze wyprodukowali hybrydowe katalizatory stałe do syntezy… Fotosynteza. Katalizatory te wykazują wysoką aktywność, stabilność i trwałość, co podkreśla potencjał zaproponowanego innowacyjnego podejścia.

Kryształy białkowe, podobnie jak zwykłe kryształy, są dobrze zorganizowanymi strukturami molekularnymi, które mają różnorodne właściwości i ogromny potencjał dostosowywania. Można je syntetyzować w sposób naturalny z materiałów znajdujących się w komórkach, co nie tylko znacznie zmniejsza koszty syntezy, ale także zmniejsza ich wpływ na środowisko.

Chociaż kryształy białek są obiecującymi katalizatorami, ponieważ mogą zawierać różne cząsteczki funkcjonalne, obecne techniki pozwalają na przyłączanie jedynie małych cząsteczek i prostych białek. Dlatego konieczne jest znalezienie sposobów wytwarzania kryształów białek zawierających zarówno naturalne enzymy, jak i syntetyczne cząsteczki funkcjonalne, aby w pełni wykorzystać ich potencjał do immobilizacji enzymów.

Na tym tle zespół naukowców z Tokijskiego Instytutu Technologii (Tokyo Tech) pod kierownictwem profesora Takafumi Ueno opracował innowacyjną strategię wytwarzania hybrydowych katalizatorów półprzewodnikowych na bazie kryształów białek. Jak opisano w ich artykule opublikowanym w Wiadomości nano 12 lipca 2023 r. Ich podejście łączy w sobie technologię in-cell i prostą inżynierię w laboratorium Proces wytwarzania katalizatorów do sztucznej fotosyntezy.

Ilustracja badań. Źródło obrazu: profesor Takafumi Ueno, Tokijski Instytut Technologii

Budulcem katalizatora hybrydowego jest monomer białkowy pochodzący z A wirus Które jest dotknięte Bombyx Mori jedwabnik. Naukowcy wprowadzili gen kodujący to białko Escherichia coli Bakterie, u których wytworzone monomery utworzyły trimery, które z kolei spontanicznie łączą się w stabilne kryształy wielościenne (PhC), wiążąc się ze sobą poprzez N-końcową helisę alfa (H1). Ponadto badacze wprowadzili zmodyfikowaną wersję genu dehydrogenazy mrówczanowej (FDH) z A Klasyfikować Drożdże w bakterie coli Genom. Gen ten spowodował, że bakterie wytwarzały enzymy FDH z końcami H1, co doprowadziło do powstania wewnątrz komórek hybrydowych kryształów H1-FDH@PhC.

Zespół wyekstrahował kryształy hybrydowe z… bakterie coli Bakterie poprzez sonikację, wirowanie w gradiencie i namaczanie w roztworze zawierającym syntetyczny fotosensybilizator zwany eozyną Y (EY). W rezultacie monomery białkowe, które zostały genetycznie zmodyfikowane w taki sposób, że w ich kanale centralnym może znajdować się cząsteczka eozyny Y, ułatwiły stabilne wiązanie EY z kryształem hybrydowym w masie.

Dzięki temu pomysłowemu procesowi zespołowi udało się wyprodukować wysoce aktywne, nadające się do recyklingu i stabilne termicznie katalizatory EY·H1-FDH@PhC, które potrafią przekształcać dwutlenek węgla (CO).₂) do formatu (HCOO^–) pod wpływem światła, symulując proces fotosyntezy. Ponadto po unieruchomieniu zachowały 94,4% swojej aktywności katalitycznej w porównaniu z aktywnością wolnego enzymu. „Wydajność konwersji proponowanego kryształu hybrydowego była znacznie wyższa niż wcześniej zgłaszane związki stosowane w enzymatycznej sztucznej fotosyntezie opartej na FDH” – podkreśla profesor Ueno. „Co więcej, hybryda PHC pozostała w stanie stałej agregacji białka po przeniesieniu obu komórek Na żywo I w laboratorium procesów inżynieryjnych, wykazując niezwykłą zdolność do krystalizacji i dużą plastyczność PCC w postaci kapsułkowanych rusztowań.

Ogólnie rzecz biorąc, badanie to ukazuje potencjał bioinżynierii w ułatwianiu syntezy złożonych materiałów funkcjonalnych. „Kombinacją Na żywo I w laboratorium Technologie kapsułkowania kryształów białek prawdopodobnie zapewnią skuteczną i przyjazną dla środowiska strategię badań w dziedzinie nanomateriałów i sztucznej fotosyntezy” – podsumowuje profesor Ueno.

Mamy nadzieję, że te wysiłki doprowadzą nas do bardziej ekologicznej przyszłości!

Odniesienie: „Inżynieria wewnątrzkomórkowych kryształów białek w hybrydowe stałe katalizatory do sztucznej fotosyntezy” autorstwa Tezeng Pan, Basudev Mighty, Satoshi Abe, Taiki Morita i Takafumi Ueno, 12 lipca 2023 r., Wiadomości nano.
doi: 10.1021/acs.nanolett.3c02355