Kunstmatige fotosynthese met engineering van eiwitkristallen in bacteriën

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 diverse eigenschappen en een enorm potentieel voor maatwerk. Ze kunnen op natuurlijke wijze worden samengesteld uit materialen die in cellen worden aangetroffen, wat niet alleen de synthesekosten aanzienlijk verlaagt, maar ook hun impact op het milieu vermindert.

Hoewel eiwitkristallen veelbelovend zijn als katalysator omdat ze verschillende functionele moleculen kunnen herbergen, 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 paper gepubliceerd in Nano-brieven 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 afgeleid van een virus dat de Bombyx mori-zijderups infecteert. De onderzoekers introduceerden het gen dat codeert voor dit eiwit in Escherichia coli-bacteriën, waar de geproduceerde monomeren trimeren vormden die op hun beurt spontaan werden geassembleerd tot stabiele veelvlakkenkristallen (PhC’s) door aan elkaar te binden via hun N-terminale α-helix (H1).

Bovendien introduceerden de onderzoekers een gemodificeerde versie van het formiaatdehydrogenase (FDH) -gen van een gistsoort in het E. coli-genoom. Dit gen zorgde ervoor dat de bacteriën FDH-enzymen met H1-uiteinden 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 sonicatie en gradiëntcentrifugatie en drenkte ze in een oplossing die een kunstmatige fotosensibilisator bevat, eosine Y (EY) genaamd. Als gevolg hiervan vergemakkelijkten de eiwitmonomeren, die genetisch gemodificeerd waren zodat hun centrale kanaal een eosine Y-molecuul kon herbergen, de stabiele binding van EY aan het hybride kristal in grote hoeveelheden.

Door dit ingenieuze proces is het team erin geslaagd zeer actieve, recyclebare en thermisch stabiele EY·H1-FDH@PhC-katalysatoren te produceren die kooldioxide (CO₂) in formiaat (HCOO⁻) bij blootstelling aan licht, fotosynthese nabootsend. Bovendien behielden ze 94,4% van hun katalytische activiteit na immobilisatie in vergelijking 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 assemblage van vaste eiwitten na zowel in vivo als in vitro engineeringprocessen te hebben doorstaan, wat het opmerkelijke kristallisatievermogen en de sterke plasticiteit van PhC’s als inkapselende steigers aantoont.”

Over het algemeen toont deze studie het potentieel van bio-engineering bij het vergemakkelijken 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 bieden voor onderzoek op het gebied van nanomaterialen en kunstmatige fotosynthese”, concludeert prof. Ueno.