Tokyo Tech’teki araştırmacılara göre; hücre içi mühendislik, umut verici katalitik özelliklere sahip fonksiyonel protein kristallerinin sentezlenmesinde güçlü bir araç olabilir. Genetiği değiştirilmiş bakterileri çevre dostu bir sentez platformu olarak kullanan araştırmacılar, yapay fotosentez için hibrit katı katalizörler üretti. Bu katalizörler yüksek aktivite, kararlılık ve dayanıklılık sergileyerek önerilen yenilikçi yaklaşımın potansiyelini vurguluyor.
Protein kristalleri; normal kristaller gibi, çeşitli özelliklere ve büyük bir özelleştirme potansiyeline sahip iyi düzenlenmiş moleküler yapılardır. Hücrelerde bulunan malzemelerden doğal olarak bir araya gelebilirler, bu da sadece sentez maliyetlerini büyük ölçüde azaltmakla kalmaz, aynı zamanda çevresel etkilerini de azaltır.
Protein kristalleri, çeşitli fonksiyonel molekülleri barındırabildikleri için katalizör olarak umut verici olsa da, mevcut teknikler yalnızca küçük moleküllerin ve basit proteinlerin bağlanmasını sağlar. Bu nedenle, enzim immobilizasyonu için tam potansiyellerini kullanmak üzere hem doğal enzimleri hem de sentetik fonksiyonel molekülleri taşıyan protein kristalleri üretmenin yollarını bulmak zorunludur.
Bu çerçevede, Tokyo Teknoloji Enstitüsünden (Tokyo Tech) Profesör Takafumi Ueno liderliğindeki bir araştırma ekibi, protein kristallerine dayalı hibrit katı katalizörler üretmek için yenilikçi bir strateji geliştirdi. Nano Letters‘da 12 Temmuz 2023 tarihinde yayınlanan makalelerinde açıkladıkları gibi, yaklaşımları yapay fotosentez için katalizörler üretmek üzere hücre içi mühendisliği ve basit bir in vitro süreci birleştiriyor.
Hibrit katalizörün yapı taşı, Bombyx mori ipekböceğini enfekte eden bir virüsten türetilen bir protein monomeridir. Araştırmacılar, bu proteini kodlayan geni Escherichia coli bakterisine aktardılar ve burada üretilen monomerler, N-terminal α-sarmalları (H1) aracılığıyla birbirlerine bağlanarak kendiliğinden kararlı polihedra kristalleri (PhC’ler) halinde bir araya gelen trimerler oluşturdular.
Araştırmacılar ayrıca, bir maya türünden alınan format dehidrojenaz (FDH) geninin değiştirilmiş bir versiyonunu E. coli genomuna eklediler. Bu gen, bakterilerin H1 terminalli FDH enzimleri üretmesine neden olarak hücreler içinde hibrit H1-FDH@PhC kristallerinin oluşmasına yol açtı.
Ekip, hibrit kristalleri sonikasyonu ve gradyan santrifüjleme yoluyla E. coli bakterisinden çıkardı ve eosin Y (EY) adı verilen yapay bir ışığa duyarlılaştırıcı içeren bir çözeltide bekletti.
Sonuç olarak, merkezi kanalları bir eozin Y molekülüne ev sahipliği yapabilecek şekilde genetik olarak değiştirilmiş olan protein monomerleri, EY’nin hibrit kristale büyük miktarlarda kararlı bir şekilde bağlanmasını kolaylaştırmıştır.
Bu ustaca süreç sayesinde ekip, fotosentezi taklit ederek ışığa maruz kaldığında karbondioksiti (CO2) formata (HCOO-) dönüştürebilen oldukça aktif, geri dönüştürülebilir ve termal olarak kararlı EY-H1-FDH@PhC katalizörleri üretmeyi başardı. Ayrıca, serbest enziminkine kıyasla immobilizasyondan sonra katalitik aktivitelerinin %94,4’ünü korumuşlardır.
Ueno, “Önerilen hibrit kristalin dönüşüm verimliliği, FDH’ye dayalı enzimatik yapay fotosentez için daha önce bildirilen bileşiklerden daha yüksek bir büyüklük sırasıydı” diye vurguluyor. “Dahası, hibrit PhC, hem in vivo hem de in vitro mühendislik süreçlerine dayandıktan sonra katı protein montaj durumunda kaldı ve PhC’lerin enkapsüle edici iskeleler olarak dikkate değer kristalizasyon kapasitesini ve güçlü plastisitesini gösterdi.”
Genel olarak bu çalışma, biyomühendisliğin karmaşık fonksiyonel malzemelerin sentezini kolaylaştırma potansiyelini ortaya koymaktadır. Ueno, “Protein kristallerinin enkapsülasyonuna yönelik in vivo ve in vitro tekniklerin kombinasyonu, nanomalzemeler ve yapay fotosentez alanlarındaki araştırmalar için muhtemelen etkili ve çevre dostu bir strateji sağlayacaktır” dedi. [1]Towards artificial photosynthesis with engineering of protein crystals in bacteria
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
| ↑1 | Towards artificial photosynthesis with engineering of protein crystals in bacteria |
|---|
