طفرة في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي – الباحثون ينتجون محفزات صلبة هجينة

أثبت الباحثون في Tokyo Tech أن الهندسة داخل الخلايا هي طريقة فعالة لإنشاء بلورات بروتينية وظيفية ذات خصائص تحفيزية واعدة. من خلال تسخير البكتيريا المعدلة وراثيا كمنصة تخليق خضراء، أنتج الباحثون محفزات صلبة هجينة للاصطناعية البناء الضوئي. تُظهر هذه المحفزات نشاطًا وثباتًا ومتانة عالية، مما يسلط الضوء على إمكانات النهج المبتكر المقترح.

بلورات البروتين، مثل البلورات العادية، هي هياكل جزيئية منظمة بشكل جيد ولها خصائص متنوعة وإمكانات هائلة للتخصيص. ويمكن تجميعها بشكل طبيعي من المواد الموجودة داخل الخلايا، الأمر الذي لا يقلل بشكل كبير من تكاليف التوليف فحسب، بل يقلل أيضًا من تأثيرها البيئي.

على الرغم من أن بلورات البروتين تعتبر محفزات واعدة لأنها يمكن أن تستضيف جزيئات وظيفية مختلفة، فإن التقنيات الحالية تتيح فقط ربط الجزيئات الصغيرة والبروتينات البسيطة. وبالتالي، من الضروري إيجاد طرق لإنتاج بلورات بروتينية تحمل كلاً من الإنزيمات الطبيعية والجزيئات الوظيفية الاصطناعية للاستفادة من إمكاناتها الكاملة لتجميد الإنزيم.

على هذه الخلفية، قام فريق من الباحثين من معهد طوكيو للتكنولوجيا (Tokyo Tech) بقيادة البروفيسور تاكافومي أوينو بتطوير استراتيجية مبتكرة لإنتاج محفزات صلبة هجينة تعتمد على بلورات البروتين. كما هو موضح في ورقتهم المنشورة في رسائل النانو في 12 يوليو 2023، يجمع نهجهم بين الهندسة داخل الخلية والبسيطة في المختبر عملية لإنتاج المحفزات لعملية التمثيل الضوئي الاصطناعي.

رسم توضيحي للبحث. مصدر الصورة: البروفيسور تاكافومي أوينو، معهد طوكيو للتكنولوجيا

اللبنة الأساسية للمحفز الهجين هي مونومر بروتين مشتق من أ فايروس الذي يصيب بومبيكس موري دودة القز. أدخل الباحثون الجين الذي يرمز لهذا البروتين الإشريكية القولونية البكتيريا، حيث شكلت المونومرات المنتجة أدوات تشذيب، والتي بدورها، تتجمع تلقائيًا في بلورات متعددة السطوح مستقرة (PhCs) عن طريق الارتباط ببعضها البعض من خلال الحلزون ألفا N- الطرفي (H1). بالإضافة إلى ذلك، قدم الباحثون نسخة معدلة من جين نازعة هيدروجين الفورمات (FDH) من أ صِنف الخميرة في بكتريا قولونية الجينوم. تسبب هذا الجين في قيام البكتيريا بإنتاج إنزيمات FDH مع أطراف H1، مما أدى إلى تكوين بلورات H1-FDH@PhC الهجينة داخل الخلايا.

استخرج الفريق البلورات الهجينة من بكتريا قولونية البكتيريا من خلال الصوتنة والطرد المركزي المتدرج ونقعها في محلول يحتوي على محسس ضوئي اصطناعي يسمى يوزين Y (EY). ونتيجة لذلك، فإن مونومرات البروتين، التي تم تعديلها وراثيا بحيث يمكن لقناتها المركزية أن تستضيف جزيء الأيوسين Y، سهلت الارتباط المستقر لـ EY بالبلورة الهجينة بكميات كبيرة.

من خلال هذه العملية البارعة، تمكن الفريق من إنتاج محفزات نشطة للغاية وقابلة لإعادة التدوير ومستقرة حرارياً EY·H1-FDH@PhC يمكنها تحويل ثاني أكسيد الكربون (CO)₂) إلى فورمات (HCOO^–) عند التعرض للضوء، ومحاكاة عملية التمثيل الضوئي. بالإضافة إلى ذلك، حافظوا على 94.4% من نشاطهم التحفيزي بعد التثبيت مقارنة بنشاط الإنزيم الحر. يسلط البروفيسور أوينو الضوء على أن “كفاءة تحويل البلورة الهجينة المقترحة كانت أعلى بكثير من المركبات التي تم الإبلاغ عنها سابقًا لعملية التمثيل الضوئي الاصطناعي الأنزيمي على أساس FDH”. “علاوة على ذلك، بقي مركز الرعاية الصحية الأولية الهجين في حالة تجميع البروتين الصلب بعد تحمل كليهما في الجسم الحي و في المختبر العمليات الهندسية، مما يدل على قدرة التبلور الرائعة واللدونة القوية لمراكز الرعاية الأولية باعتبارها سقالات مغلفة.

بشكل عام، تعرض هذه الدراسة إمكانات الهندسة الحيوية في تسهيل تركيب المواد الوظيفية المعقدة. “مزيج من في الجسم الحي و في المختبر من المرجح أن توفر تقنيات تغليف بلورات البروتين استراتيجية فعالة وصديقة للبيئة للبحث في مجالات المواد النانوية والتمثيل الضوئي الاصطناعي،” يخلص البروفيسور أوينو.

ونأمل بالتأكيد أن تقودنا هذه الجهود إلى مستقبل أكثر اخضرارًا!

المرجع: “هندسة بلورات البروتين داخل الخلية إلى محفزات صلبة هجينة لعملية التمثيل الضوئي الاصطناعي” بقلم تيزينج بان، وباسوديف مايتي، وساتوشي آبي، وتايكي موريتا، وتاكافومي أوينو، 12 يوليو 2023، رسائل النانو.
دوى: 10.1021/acs.nanolett.3c02355