استفاده از پوسته پروتئینی به عنوان کارخانه‌های شیمیایی

پژوهشگران نانومحفظه‌هایی طراحی کردند که با قرار دادن سایت اتصال فلز بر روی پوسته آن‌ها امکان انتقال الکترون به درون و خارج را فراهم ساختند. از این نانومحفظه‌ها می‌توان به‌عنوان کارخانه‌های شیمیایی برای سنتز مواد شیمیایی با ارزش همچون مواد دارویی استفاده

به گزارش سایت فناوری های همگرا، محققان ساختارهای جدیدی مهندسی کردند که در حالت طبیعی در باکتری‌ها وجود دارد. این گروه تحقیقاتی یک سایت اتصال فلز به پوسته در این نانومحفظه وارد کردند که امکان انتقال الکترون به/از درون محفظه را فراهم خواهد ساخت. این روش قابلیت کاملاً جدید را فراهم می‌سازد و پتانسیل کاربردی نانومحفظه‌ها را برای عمل به‌عنوان کارخانه‌های شیمیایی سفارشی به مقدار قابل توجهی گسترش می‌دهد.
دانشمندان امیدوار به سازگار کردن این روش جدید برای تولید محصولات شیمیایی ارزشمند همچون مواد دارویی مورد تقاضا هستند.
این نانومحفظه‌های مستحکم که از پوسته‌های پلی‌هدرال مثلثی شکل تشکیل شده‌اند و به شکل تاس‌های ۲۰-وجهی هستند، توسط صدها کپی ازسه نوع مختلف پروتئین ساخته می‌شوند. معادل طبیعی آن‌ها، که با عنوان میکرومحفظه‌های باکتریایی یا BMCs شناخته می‌شوند، گستره زیادی از آنزیم‌ها را که واکنش‌های تخصصی درون باکتری‌ها را انجام می‌دهند، درون خود جای می‌‌دهند.
پژوهشگران دانشکده انرژی آزمایشگاه ملی لاورنس برکلی ( آزمایشگاه برکلی)، موفق به ابداع ساختار‌های پوسته سنتزی مشتق‌شده از باکتری‌های آقیانوسی میله‌ای‌شکل (Haliangium ochraceum) شدند و یکی از پروتئین‌های پوسته آن را به‌منظور عمل کردن به عنوان داربست برای یک کلاستر آهن-سولفور که در بسیاری از اشکال حیات یافت می‌شود، مجدداً طراحی و مهندسی کردند. کلاستر به‌عنوان «کوفاکتور» شناخته می‌شود؛ زیرا این کلاستر به‌عنوان یک مولکول کمکی در واکنش‌های زیست‌شیمیایی عمل می‌کند.
پوسته‌های برپایه MMCها کوچک، مقاوم و خود ترمیم کننده هستند که به صورت خودبخودی آرایش می‌یابند. این خصوصیات باعث شده است تا در مقایسه با نانوساختارهای کاملاً سنتزی درکاربردهای گوناگون برتری داشته باشند.
کرفلد ، زیست‌شناس آزمایشگاه برکلی و نویسنده مسئول این مقاله، می‌گوید:« این برای اولین بار است که قابلیت جدیدی به یک پوسته افزوده می‌شود. به نظر ما مهمترین قابیت برای افزوده شدن، توانایی انتقال الکترون به درون پوسته یا به خارج از آن است. »
محققان از پرتو ایکس برای نمایش سه بعدی چگونگی اتصال کلاستر آهن-سولفور به پروتئین مهندسی شده در مقیاس اتمی، استفاده کردند.
آنزیم‌ها درون BMCهای طبیعی دی اکسید کربن را به محصولات آلی که قابل استفاده توسط باکتری‌ها هستند، تبدیل می‌کنند، ترکیبات سمی یا فرار را از محیط سلول ‌جداسازی می‌کنند و دیگر واکنش‌های شیمیایی که برای سلول انرژی فراهم می‌سازند، را انجام می‌دهند.
در این مطالعه، محققان کلاستر آهن-سولفور را به درون حفرات کوچک در بلاک ساختمانی پوسته وارد کردند. این پروتئین مهندسی شده به‌عنوان یک ایستگاه تقویت (رله) الکترون در پوسته عمل می‌کند که کلید کنترل فعالیت شیمیایی مواد شیمیایی درون پوسته است.
اوسیگنارگوس ، نویسنده اول مقاله و دانشجوی پسی‌دکتری در دانشگاه میشیگان، می‌گوید:« زیبایی سیستم ما این است که ما همه ابزار به خصوص ساختار بلورشناسی پروتئین مهندسی شده، برای اصلاح پتانسیل رداکس سیستم (توانایی سیستم برای جذب یا دفع الکترون) را در اختیار داریم. اگر ما بتوانیم این خصوصیت را کنترل کنیم، در این صورت می‌توانیم دامنه واکنش‌های شیمیایی درون پوسته را افزایش دهیم. محدودیت این کاربردها، مواد درون این پوسته‌ها هستند، نه خود پوسته‌ها. ساخت یک میکرومحفظه جدید از نشاسته بسیار مشکل است. به این دلیل ما از طبیعت برای حل این مشکل الهام گرفتیم.»
پژوهشگران برای طراحی سایت اتصال فلزی، در ابتدا مجبور به حل ساختارهای بلاک های ساختمانی نانومحفظه برای استفاده به‌عنوان قالب برای طراحی بودند. این بلاک‌های ساختمانی به صورت پوسته‌های سننتزی ۴۰ نانومتری خودآرایی می‌کنند. فرم طبیعی پوسته‌ها تا ۱۲ برابر بزرگتر هستند. کوفاکتور آهن-سولفور پروتئین مهندسی شده ( که در باکتری E.coli تولید شده است)، حتی وقتی که چندین چرخه رداکس را انتقال می‌دهد، بسیار پایدار است ( که این یک ویژگی ضروری برای کاربردهای آینده است). اوسیگنارگوس می‌افزاید:«پروتئین مهندسی شده از معادل طبیعی آن مقاوم‌تر است. در نتیجه می‌توان آن را با موادی اصلاح کرد که به طور طبیعی به پروتئین‌ها آسیب می‌رساند.»
یک چالش اصلی در این مطالعه، آماده کردن پروتئین مهندسی شده در یک محیط عاری از اکسیژن برای تشکیل بلورهای کوچک است که به بهترین شکل ممکن از ساختار آن‌ها و کوفاکتور آن‌ها برای تصویربرداری پرتو ایکس محافظت کند.
در ادامه کار تحقیقاتی، این محققان بررسی خواهند کرد که چگونه وارد سازی مراکز فلزی مختلف درون پوسته‌های BMC بر روی دامنه فعالیت شیمیایی اثر خواهد گذاشت.