Искусственный фотосинтез с помощью белковых кристаллов, созданных в бактериях

Исследователи из Токийского технологического института показали, что внутриклеточная инженерия может быть мощным инструментом для синтеза функциональных белковых кристаллов с перспективными каталитическими свойствами. Используя генетически модифицированные бактерии как экологичную платформу для синтеза, учёные получили гибридные твёрдые катализаторы для искусственного фотосинтеза. Эти катализаторы демонстрируют высокую активность, стабильность и долговечность, подчёркивая потенциал нового подхода.

Белковые кристаллы, как и обычные, — это упорядоченные молекулярные структуры с разнообразными свойствами и огромным потенциалом для настройки. Они могут самособираться из материалов, найденных внутри клеток, что значительно снижает стоимость синтеза и его воздействие на окружающую среду.

Хотя белковые кристаллы перспективны как катализаторы, поскольку могут содержать различные функциональные молекулы, современные методы позволяют присоединять только малые молекулы и простые белки. Поэтому необходимо найти способы производства белковых кристаллов, несущих как природные ферменты, так и синтетические функциональные молекулы, чтобы раскрыть их полный потенциал для иммобилизации ферментов.

На этом фоне команда под руководством профессора Такафуми Уэно разработала инновационную стратегию получения гибридных твёрдых катализаторов на основе белковых кристаллов. Их подход, описанный в статье в Nano Letters от 12 июля 2023 года, сочетает внутриклеточную инженерию и простой in vitro процесс для создания катализаторов искусственного фотосинтеза.

Основным строительным блоком гибридного катализатора является белковый мономер, полученный из вируса, поражающего тутового шелкопряда Bombyx mori. Исследователи встроили ген, кодирующий этот белок, в бактерии Escherichia coli, где произведённые мономеры образовали тримеры, которые, в свою очередь, спонтанно собрались в стабильные кристаллы полиэдров (PhCs), связываясь друг с другом через свои N-концевые α-спирали (H1).

Кроме того, в геном E. coli был встроен модифицированный вариант гена формиатдегидрогеназы (FDH) из вида дрожжей. Это привело к производству бактериями ферментов FDH с H1-концами и формированию гибридных кристаллов H1-FDH@PhC внутри клеток.

Команда извлекла гибридные кристаллы из бактерий с помощью ультразвуковой обработки и градиентного центрифугирования, а затем поместила их в раствор, содержащий искусственный фотосенсибилизатор эозин Y (EY). Белковые мономеры были генетически модифицированы так, что их центральный канал мог вместить молекулу эозина Y, что обеспечило стабильное связывание большого количества EY с гибридным кристаллом.

В результате этого процесса были получены высокоактивные, рециклируемые и термостабильные катализаторы EY·H1-FDH@PhC, способные под действием света превращать диоксид углерода (CO₂) в формиат (HCOO⁻), имитируя фотосинтез. После иммобилизации они сохранили 94,4% своей каталитической активности по сравнению со свободным ферментом.

«Эффективность превращения предложенного гибридного кристалла была на порядок выше, чем у ранее описанных соединений для ферментативного искусственного фотосинтеза на основе FDH», — говорит профессор Уэно. — Более того, гибридный PhC оставался в состоянии твёрдой белковой сборки после процессов in vivo и in vitro инженерии, демонстрируя замечательную кристаллизующую способность и сильную пластичность PhC как каркасов для инкапсуляции».

В целом, это исследование демонстрирует потенциал биоинженерии для облегчения синтеза сложных функциональных материалов. «Сочетание методов in vivo и in vitro для инкапсуляции белковых кристаллов, вероятно, обеспечит эффективную и экологически чистую стратегию для исследований в области наноматериалов и искусственного фотосинтеза», — заключает профессор Уэно.