In-Cell-Engineering kann ein leistungsstarkes Werkzeug zur Synthese funktioneller Proteinkristalle mit vielversprechenden katalytischen Eigenschaften sein, zeigen Forscher von Tokyo Tech. Mithilfe gentechnisch veränderter Bakterien als umweltfreundliche Syntheseplattform stellten die Forscher hybride Feststoffkatalysatoren für die künstliche Photosynthese her. Diese Katalysatoren weisen eine hohe Aktivität, Stabilität und Haltbarkeit auf, was das Potenzial des vorgeschlagenen innovativen Ansatzes unterstreicht.
Proteinkristalle sind wie normale Kristalle wohlgeordnete Molekülstrukturen mit vielfältigen Eigenschaften und einem enormen Potenzial für die individuelle Anpassung. Sie können sich auf natürliche Weise aus Materialien zusammensetzen, die in Zellen vorkommen, was nicht nur die Synthesekosten erheblich senkt, sondern auch ihre Auswirkungen auf die Umwelt verringert.
Obwohl Proteinkristalle als Katalysatoren vielversprechend sind, da sie verschiedene funktionelle Moleküle beherbergen können, ermöglichen aktuelle Techniken nur die Anbindung kleiner Moleküle und einfacher Proteine. Daher ist es unerlässlich, Wege zu finden, Proteinkristalle herzustellen, die sowohl natürliche Enzyme als auch synthetische funktionelle Moleküle tragen, um ihr volles Potenzial für die Enzymimmobilisierung auszuschöpfen.
Vor diesem Hintergrund hat ein Forscherteam des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) unter der Leitung von Professor Takafumi Ueno eine innovative Strategie zur Herstellung hybrider Feststoffkatalysatoren auf Basis von Proteinkristallen entwickelt. Wie in ihrem in veröffentlichten Artikel erläutert Nano-Buchstaben am 12. Juli 2023, ihr Ansatz kombiniert In-Cell-Engineering und einen einfachen In-vitro-Prozess zur Herstellung von Katalysatoren für die künstliche Photosynthese.
Der Baustein des Hybridkatalysators ist ein Proteinmonomer, das von einem Virus stammt, das die Seidenraupe Bombyx mori infiziert. Die Forscher führten das Gen, das für dieses Protein kodiert, in Escherichia coli-Bakterien ein, wo die produzierten Monomere Trimeren bildeten, die sich wiederum spontan zu stabilen Polyederkristallen (PhCs) zusammenfügten, indem sie sich über ihre N-terminale α-Helix (H1) aneinander banden.
Darüber hinaus führten die Forscher eine modifizierte Version des Formiatdehydrogenase (FDH)-Gens einer Hefeart in das E. coli-Genom ein. Dieses Gen veranlasste die Bakterien, FDH-Enzyme mit H1-Enden zu produzieren, was zur Bildung hybrider H1-FDH@PhC-Kristalle innerhalb der Zellen führte.
Das Team extrahierte die Hybridkristalle durch Ultraschallbehandlung und Gradientenzentrifugation aus den E. coli-Bakterien und tränkte sie in einer Lösung, die einen künstlichen Photosensibilisator namens Eosin Y (EY) enthielt. Dadurch ermöglichten die Proteinmonomere, die genetisch so verändert wurden, dass ihr zentraler Kanal ein Eosin-Y-Molekül aufnehmen konnte, die stabile Bindung von EY an den Hybridkristall in großen Mengen.
Durch dieses geniale Verfahren gelang es dem Team, hochaktive, recycelbare und thermisch stabile EY·H1-FDH@PhC-Katalysatoren herzustellen, die bei Lichteinwirkung Kohlendioxid (CO2) in Formiat (HCOO−) umwandeln können und so die Photosynthese nachahmen. Darüber hinaus behielten sie nach der Immobilisierung 94,4 % ihrer katalytischen Aktivität im Vergleich zu der des freien Enzyms.
„Die Umwandlungseffizienz des vorgeschlagenen Hybridkristalls war um eine Größenordnung höher als die zuvor beschriebener Verbindungen für die enzymatische künstliche Photosynthese auf Basis von FDH“, sagt Prof. Ueno. „Darüber hinaus blieb das Hybrid-PhC im festen Proteinassemblierungszustand, nachdem es sowohl In-vivo- als auch In-vitro-Engineering-Prozesse überstanden hatte, was die bemerkenswerte Kristallisationsfähigkeit und starke Plastizität von PhCs als verkapselnde Gerüste demonstriert.“
Insgesamt zeigt diese Studie das Potenzial der Biotechnik bei der Erleichterung der Synthese komplexer Funktionsmaterialien. „Die Kombination von In-vivo- und In-vitro-Techniken zur Einkapselung von Proteinkristallen wird wahrscheinlich eine wirksame und umweltfreundliche Strategie für die Forschung in den Bereichen Nanomaterialien und künstliche Photosynthese darstellen“, schließt Prof. Ueno.
Mehr Informationen:
Tiezheng Pan et al., In-Cell Engineering von Proteinkristallen zu hybriden Feststoffkatalysatoren für die künstliche Photosynthese, Nano-Buchstaben (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02355