Укрощение электронов с помощью бактериальных компонентов
Электроны в биологических системах сложно контролировать. Умение управлять ими — важная задача, поскольку движение электронов — это и есть электричество, питающее жизнь.
Электроны обеспечивают производство топлива и лекарств. Их движение лежит в основе фотосинтеза — главного источника пищи и горения. Перемещение электронов — это и есть определение электрического тока.
В новом исследовании учёные из Лаборатории исследований растений MSU-DOE сообщают о новой синтетической системе, способной направлять перенос электронов на большие расстояния. Система состоит из двух компонентов, позаимствованных у природы: белка из бактерий и молекулы, содержащейся в нашей крови.
Природа нашла способ "приручить" электроны, разбив их путь на короткие "остановки", которыми легче управлять. Электроны "перепрыгивают" между этими остановками по пути к конечной цели.
Одна из таких естественных "остановок" — гем, молекула, содержащая железо. Именно он придаёт цвет нашей крови и встречается во многих других биологических молекулах.
"В природе несколько гемов должны быть расположены близко и под строго определённым углом, чтобы обеспечить быстрые "прыжки" электрона. Гемы зафиксированы на месте, присоединяясь к белковым структурам. Иначе, если расстояние между гемами станет слишком большим, электрон выйдет из-под контроля и будет потерян", — пояснил Цзинчэн Хуан.
Поскольку гемы есть почти у всех живых существ, они могут связываться со многими типами белков. Команда использовала бактериальный белок BMC-H для создания искусственных "остановок" для электронов.
Учёные определили четыре возможных места для стыковки гема. Наиболее перспективной областью оказался альфа-спиральный участок.
"Нам почти не пришлось модифицировать белок BMC-H. Всего три аминокислотные замены позволяют гему прочно с ним связываться. Поскольку модификация минимальна, форма и функции белка остаются неизменными", — отметил Хуан.
Учёным удалось получить крупные структуры с присоединёнными гемами. Более того, их можно производить внутри бактериальных клеток, что экономит ресурсы.
"Мы хотим оптимизировать эту систему в функциональный нанопровод. В будущем он мог бы направлять электроны для производства новых лекарств, биотоплива или электронных устройств из "био-материалов" — возможности безграничны", — сказал Хуан.
"Самое интересное, что мы использовали то, что уже создала природа: мы взяли белок, который сам собирается в крупные структуры, но не связывает гемы, и модифицировали его так, чтобы он мог их удерживать. Создание системы с нуля добавило бы дополнительные сложности. В этом суть синтетической биологии — брать природные компоненты и собирать их новыми, невиданными способами".
Исследование опубликовано в журнале Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.