东京工业大学的研究团队指出，细胞内工程技术能够有效合成具有催化特性的功能性蛋白质晶体。研究者们利用转基因细菌作为环保合成平台，成功制造出用于人工光合作用的混合固体催化剂。这些催化剂展现出优异的活性、稳定性和耐久性，突显了该创新方法的巨大潜力。
蛋白质晶体与传统晶体相似，都是有序的分子结构，具备多种特性和广泛的定制潜力。它们能够从细胞内的材料自然组装，这不仅显著降低了合成成本，还减少了对环境的影响。
尽管蛋白质晶体在催化剂领域展现出希望，因为它们能够容纳多种功能分子，但现有技术仅能使小分子和简单蛋白质附着。因此，亟需开发新方法以生产含有天然酶和合成功能分子的蛋白质晶体，以充分发挥其酶固定的潜力。
在此背景下，东京工业大学(Tokyo Tech)由Takafumi Ueno教授领导的研究小组提出了一种创新策略，基于蛋白质晶体生产混合固体催化剂。正如他们在2023年7月12日发表在《纳米快报》上的论文所述，他们的方法结合了细胞内工程与简单的体外过程，以制造人工光合作用的催化剂。
混合催化剂的成分是从感染家蚕的病毒中提取的蛋白质单体。研究人员将编码该蛋白质的基因导入大肠杆菌，生成的单体形成三聚体，三聚体通过其n端α-螺旋(H1)相互结合，自发组装成稳定的多面体晶体(phc)。
此外，研究团队将一种酵母的甲酸脱氢酶(FDH)基因的改良版本引入大肠杆菌基因组中。该基因使细菌产生H1末端的FDH酶，导致细胞内形成杂交H1-FDH@PhC晶体。
研究小组通过超声波和梯度离心从大肠杆菌中提取杂交晶体，并将其浸泡在含有名为伊红Y (EY)的人工光敏剂的溶液中。结果显示，经过基因改造的蛋白质单体，其中心通道能够容纳一个伊红Y分子，促进了EY与大量杂交晶体的稳定结合。
通过这一巧妙的工艺，团队成功生产出高活性、可回收、热稳定的EY·H1-FDH@PhC催化剂，该催化剂能够在光照下将二氧化碳(CO2)转化为甲酸盐(HCOO -)，模拟光合作用。此外，与游离酶相比，固定化后的催化活性保持了94.4%。
“所提出的混合晶体的转换效率比之前报道的基于FDH的酶促人工光合作用化合物的转换效率高出一个数量级，”上野教授表示。“此外，在经历了体内和体外工程过程后，杂交PhC仍保持固体蛋白质的组装状态，这表明PhC作为包封支架具有显著的结晶能力和强大的可塑性。”
总体而言，这项研究展示了生物工程在促进复杂功能材料合成方面的潜力。上野教授总结道：“体内和体外技术相结合的蛋白质晶体封装技术可能为纳米材料和人工光合作用领域的研究提供一种有效且环保的策略。”
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希望本篇文章《细菌蛋白质晶体工程的人工光合作用》能对你有所帮助！
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