Ny protein nanobioreaktor designet til at forbedre bæredygtig bioenergiproduktion

Forskere ved University of Liverpool har låst op for nye muligheder for fremtidig udvikling af bæredygtige, ren bioenergi. Studiet, udgivet i Naturkommunikation , viser, hvordan bakterielle protein-'bure' kan omprogrammeres som bioreaktorer i nanoskala til brintproduktion.

Carboxysomet er en specialiseret bakteriel organel, der indkapsler det essentielle CO ₂ -fiksering af enzymet Rubisco i en viruslignende proteinskal. Den naturligt designede arkitektur, semipermeabilitet, og katalytisk forbedring af carboxysomer har inspireret det rationelle design og konstruktion af nye nanomaterialer til at inkorporere forskellige enzymer i skallen for forbedret katalytisk ydeevne.

Det første trin i undersøgelsen involverede forskere, der installerede specifikke genetiske elementer i den industrielle bakterie E coli at producere tomme carboxysomskaller. De identificerede yderligere en lille 'linker' - kaldet et indkapslingspeptid - der er i stand til at lede eksterne proteiner ind i skallen.

Den ekstreme oxygenfølsomme karakter af hydrogenaser (enzymer, der katalyserer dannelsen og omdannelsen af ​​hydrogen) er et langvarigt problem for hydrogenproduktion i bakterier, så holdet udviklede metoder til at inkorporere katalytisk aktive hydrogenaser i den tomme skal.

Projektleder professor Luning Liu, Professor i mikrobiel bioenergetik og bioteknik ved Institute of Systems, Molekylær og integrativ biologi, sagde:"Vores nydesignede bioreaktor er ideel til oxygenfølsomme enzymer, og markerer et vigtigt skridt mod at kunne udvikle og producere en biofabrik til brintproduktion."

I samarbejde med professor Andy Cooper i Materials Innovation Factory (MIF) på universitetet, forskerne testede derefter bakteriecellernes og de biokemisk isolerede nanobioreaktorers brintproduktionsaktiviteter. Nanobioreaktoren opnåede en ~550% forbedring i hydrogenproduktionseffektivitet og en større ilttolerance i modsætning til enzymerne uden skalindkapsling.

"Det næste skridt i vores forskning er at besvare, hvordan vi yderligere kan stabilisere indkapslingssystemet og forbedre udbyttet, " sagde professor Liu. "Vi er også glade for, at denne tekniske platform åbner døren for os, i fremtidige studier, at skabe en bred vifte af syntetiske fabrikker til at omslutte forskellige enzymer og molekyler til tilpassede funktioner."

Første forfatter, Ph.D. studerende Tianpei Li, sagde:"På grund af klimaændringer, der er et presserende behov for at reducere udledningen af ​​kuldioxid fra afbrænding af fossile brændstoffer. Vores undersøgelse baner vejen for konstruktion af carboxysomskal-baserede nanoreaktorer til at rekruttere specifikke enzymer og åbner døren for nye muligheder for at udvikle bæredygtige, ren bioenergi."