محققان در مؤسسه فناوری توکیو (Tokyo Tech) نشان دادند که مهندسی درون سلولی می‌تواند ابزاری قدرتمند برای سنتز کریستال‌های پروتئینی با خواص کاتالیزوری باشد. محققان با استفاده از باکتری‌های اصلاح شده ژنتیکی به عنوان یک پلت فرم سنتز سازگار با محیط زیست، کاتالیزورهای جامد هیبریدی برای فتوسنتز مصنوعی تولید کردند. این کاتالیزورها فعالیت، پایداری و دوام بالایی را نشان می‌دهند که پتانسیل رویکرد نوآورانه‌ای را به نمایش می‌گذارد.
فتوسنتز مصنوعی با مهندسی بلورهای پروتئینی در باکتری‌ها انجام شد
کریستال‌های پروتئینی، مانند کریستال‌های معمولی، ساختارهای مولکولی منظمی هستند که دارای خواص متنوع و پتانسیل عظیمی برای سفارشی‌سازی هستند. آنها می توانند به طور طبیعی از مواد موجود در سلول‌ها جمع شوند، که نه تنها هزینه‌های سنتز را تا حد زیادی کاهش می‌دهد بلکه اثرات زیست محیطی آنها را نیز کم می‌کند.
کریستال‌های پروتئینی به‌عنوان کاتالیزور امیدوارکننده هستند زیرا می‌توانند مولکول‌های عملکردی مختلفی را میزبانی کنند، اما روش‌های فعلی فقط اتصال مولکول‌های کوچک و پروتئین‌های ساده را امکان‌پذیر می‌کنند. بنابراین، یافتن راه‌هایی برای تولید کریستال‌های پروتئینی حاوی آنزیم‌های طبیعی و مولکول‌های عملکردی مصنوعی ضروری است تا از پتانسیل کامل آنها برای تثبیت آنزیم استفاده شود.
در مقابل این رویکرد، تیمی از محققان مؤسسه فناوری توکیو راهبردی نوآورانه برای تولید کاتالیزورهای جامد هیبریدی بر اساس کریستال‌های پروتئینی ایجاد کرده‌اند. همانطور که در مقاله آنها در Nano Letters در ۱۲ ژوئیه ۲۰۲۳ توضیح داده شده، رویکرد آنها ترکیبی از مهندسی درون سلولی و یک فرآیند ساده برون‌تنی برای تولید کاتالیزور برای فتوسنتز مصنوعی است.
بلوک ساختمانی این کاتالیزور هیبریدی یک مونومر پروتئینی است که از ویروسی به دست می‌آید که کرم ابریشم Bombyx mori را آلوده می‌کند. محققان ژن کد کننده این پروتئین را به باکتری اشریشیا کلی وارد کردند، جایی که مونومرهای تولید شده، تریمرهایی را تشکیل دادند که به نوبه خود، با اتصال به یکدیگر از طریق مارپیچ α (H1) آنها به کریستال‌های چند وجهی پایدار (PhCs) متصل شدند.
علاوه بر این، محققان نسخه اصلاح شده ژن فرمات دهیدروژناز (FDH) را از یک گونه مخمر وارد ژنوم E. coli کردند. این ژن باعث می‌شود که باکتری‌ها آنزیم‌های FDH با پایانه‌های H1 تولید کنند که منجر به تشکیل کریستال‌های هیبریدی H1-FDH@PhC در داخل سلول‌ها می‌شود.
این تیم کریستال‌های هیبریدی را از باکتری E. coli از طریق فراصوت و سانتریفیوژ استخراج کردند و آنها را در محلولی حاوی یک حساس‌کننده نور مصنوعی به نام ائوزین Y (EY) وارد کردند.
از طریق این فرآیند مبتکرانه، این تیم موفق به تولید کاتالیزورهای بسیار فعال، قابل بازیافت و از نظر حرارتی پایدار EY·H1-FDH@PhC شدند که می‌توانند دی اکسید کربن را در مواجهه با نور به (HCOO−) تبدیل کنند و فتوسنتز را تقلید کنند.
به طور کلی، این مطالعه پتانسیل مهندسی زیستی در تسهیل سنتز مواد عملکردی پیچیده را نشان می‌دهد. به نظر می‌رسد ترکیب روش‌های درون‌تنی و برون‌تنی برای کپسوله کردن کریستال‌های پروتئینی احتمالاً یک راهبرد موثر و سازگار با محیط زیست برای تحقیقات در زمینه نانومواد و فتوسنتز مصنوعی باشد.
