Biomedya - Biyoteknoloji & Yaşam Bilimleri

Normal kristaller gibi protein kristalleri, çeşitli özelliklere ve büyük bir kişiselleştirme potansiyeline sahip, iyi düzenlenmiş moleküler yapılardır. Hücrelerde bulunan malzemelerden doğal olarak bir araya gelebilirler, bu da yalnızca sentez maliyetlerini büyük ölçüde azaltmakla kalmaz, aynı zamanda çevresel etkilerini de azaltır. 

Protein kristalleri, çeşitli fonksiyonel molekülleri barındırabildikleri için katalizör olarak umut verici olsalar da mevcut teknikler yalnızca küçük moleküllerin ve basit proteinlerin bağlanmasına olanak tanır. Bu nedenle, enzim immobilizasyonu için tam potansiyellerinden yararlanmak üzere hem doğal enzimleri hem de sentetik fonksiyonel molekülleri taşıyan protein kristalleri üretmenin yollarını bulmak zorunludur.

Bu çerçevede, Profesör Takafumi Ueno liderliğindeki Tokyo Teknoloji Enstitüsü'nden (Tokyo Tech) bir araştırma ekibi, protein kristallerine dayalı hibrit katı katalizörler üretmek için yenilikçi bir strateji geliştirdi. 12 Temmuz 2023'te Nano Letters'da yayınlanan makalelerinde açıklandığı gibi, yaklaşımları yapay fotosentez için katalizörler üretmek üzere hücre içi mühendisliği ve basit bir in vitro süreci birleştiriyor.

Hibrit katalizörün yapı taşı, Bombyx mori ipekböceğini enfekte eden bir virüsten türetilen bir protein monomeridir. Araştırmacılar, bu proteini kodlayan geni Escherichia coli bakterisine tanıttı; burada üretilen monomerler, N-terminal a-heliksleri (H1) aracılığıyla birbirlerine bağlanarak kendiliğinden kararlı çokyüzlü kristaller (PhC'ler) halinde bir araya gelen trimerler oluşturdu. Ek olarak, araştırmacılar bir maya türünden format dehidrojenaz (FDH) geninin değiştirilmiş bir versiyonunu E. coli genomuna dahil ettiler. Bu gen, bakterilerin H1 terminalli FDH enzimleri üretmesine neden olarak hücrelerde hibrit H1-FDH@PhC kristallerinin oluşumuna yol açtı.

Ekip, sonikasyon ve gradyan santrifüjleme yoluyla E. coli bakterisinden hibrit kristalleri çıkardı ve bunları eozin Y (EY) adı verilen yapay bir ışığa duyarlılaştırıcı içeren bir solüsyona batırdı. Sonuç olarak, merkezi kanalları bir eozin Y molekülünü barındırabilecek şekilde genetik olarak değiştirilmiş olan protein monomerleri, EY'nin büyük miktarlarda hibrit kristale stabil bağlanmasını kolaylaştırdı.

Ekip, bu ustaca süreç sayesinde, fotosentezi taklit ederek ışığa maruz kaldığında karbondioksiti (CO 2) formata (HCOO - ) dönüştürebilen oldukça aktif, geri dönüştürülebilir ve termal olarak kararlı EY·H1-FDH@PhC katalizörleri üretmeyi başardı. Ek olarak, serbest enziminkine kıyasla immobilizasyondan sonra katalitik aktivitelerinin %94.4'ünü korudular. Prof. Ueno, "Önerilen hibrit kristalin dönüşüm verimliliği, FDH'ye dayalı enzimatik yapay fotosentez için daha önce bildirilen bileşiklerinkinden çok daha yüksekti" diyor. "Ayrıca hibrit PhC, hem in vivo hem de in vitro olarak dayanıklı olduktan sonra katı protein düzeneği durumunda kaldı. Mühendislik süreçleri, PhC'lerin olağanüstü kristalleşme kapasitesini ve güçlü plastisitesini kapsülleyici yapı iskeleleri olarak gösteriyor.

Genel olarak, bu çalışma, karmaşık fonksiyonel malzemelerin sentezini kolaylaştırmada biyomühendisliğin potansiyelini göstermektedir. Prof. Ueno, "Protein kristallerinin kapsüllenmesi için in vivo ve in vitro tekniklerin kombinasyonu, nanomalzemeler ve yapay fotosentez alanlarındaki araştırmalar için muhtemelen etkili ve çevre dostu bir strateji sağlayacaktır."

Kaynak: www.eurekalert.org