Katte i et bur:Nye hybride nanocages for hurtigere katalyse

En ny hybrid ferritin nanocage med histidinrester viser 1,5 gange højere metalionoptagelse og forbedret katalytisk effektivitet til alkoholproduktion, ifølge forskere fra Tokyo Tech i en ny undersøgelse. Deres resultater tyder på, at hybride bio-nanocages effektivt kunne katalysere reaktioner for at give industrielt vigtige produkter.

Biologiske polymerer kan spontant selv samles til komplekse strukturer, der ligner kar eller bure, men er meget mindre og omtales som "nano-bure." Disse strukturer kan rumme en bred vifte af molekyler inde i dem, der opfører sig som "gæster". Et populært eksempel er "ferritin nanocage", som er dannet ved selvsamling af 24 underenheder i proteinet ferritin og kan omslutte metalioner, der er vigtige katalysatorer. Ved hjælp af disse metalioner omdanner en katalytisk reaktion ethvert substrat til et produkt. Selvom det er almindeligt kendt, er ferritinburets potentielle anvendelser i industrien endnu ikke fuldt ud undersøgt.

Hidtil har de fleste bestræbelser på at øge metalionoptagelsen i ferritin resulteret i bure med lav stabilitet. For at få "gæsten" til at sidde godt i buret, er effektivt design nøglen. Med det i tankerne introducerede et team af forskere ledet af prof. Takafumi Ueno, fra Tokyo Institute of Technology, Japan (Tokyo Tech), stedspecifikke mutationer i kernen af ​​ferritin-nanocage og øgede dets optagelse af iridiumkompleks (IrCp*) ). Deres resultater er offentliggjort i Angewandte Chemie . Iridium er en vigtig katalysator i alkoholproduktionsvejen og bruges kommercielt i den farmaceutiske, fødevare- og kemiske industri.

Prof. Ueno forklarer:"Baseret på tidligere litteratur vidste vi, at tilstedeværelsen af ​​koordinationsaminosyrer i buret forbedrer iridiumaktiviteten, og at substituering af disse aminosyrer med passende rester kunne afhjælpe problemet. Da iridiumkomplekset opfører sig som en katalysator, vil koordination rester ville gøre arbejdet." Forfatterne brugte aminosyren histidin til at erstatte to rester, arginin og asparaginsyre i de almindelige (vildtype) ferritinbure og skabe mutanterne R52H og D38H. Bemærkelsesværdigt nok blev samlingsstrukturen eller burstørrelsen ikke påvirket af disse ændringer.

Dernæst tilføjede de IrCp* til mutanterne og fandt ud af, at R52H var i stand til at indlejre 1,5 gange flere iridiumatomer end vildtypeburet (figur 1). Men det, der slog dem, var D38H-mutanten, som opførte sig nøjagtigt som vildtypen. Så hvorfor havde begge mutationer ikke samme effekt? Ifølge prof. Ueno, "Dette indebærer, at det ikke kun er tilstedeværelsen af ​​histidinresten, men også dens position, der er afgørende for at bestemme optagelseseffektiviteten i buret."

Ved at bruge de nye katalytiske bure var forskerne i stand til at opnå alkoholproduktionshastigheder så høje som 88%. Mutationerne begunstigede åbenbart en strukturel omarrangering af reaktionskomponenterne, hvilket øgede konverteringshastigheden (figur 2).

For at forstå, hvordan substratet opførte sig inde i buret, brugte forskerne simuleringer, hvor substratmolekylerne kunne bevæge sig frit inden for nanocage. De observerede nogle interaktioner mellem substratet og histidin i R52H-mutanten, som ikke var til stede i vildtype-buret, dvs. substratet viste præferencebinding i nanocage.

"Disse hybride bio-nanocages viste sig også at være yderst stabile, hvilket tyder på, at de kunne bruges som levedygtige katalysatorer i industrielle applikationer," konkluderer prof. Ueno. Det nuværende strukturbaserede design af metalionbindingsstedforskningen kunne avanceres til at skabe nye ferritinmutanter med selektiv optagelse af specifikke gæstemolekyler til forskellige katalytiske anvendelser i den kemiske og farmaceutiske industri. + Udforsk yderligere

Proteinbure til design af forskellige katalytiske reaktioner