Neuer Protein-Nanobioreaktor zur Verbesserung der nachhaltigen Bioenergieproduktion

Reprogrammierung bakterieller Proteinorganellen als Nanoreaktor für die Wasserstoffproduktion

04.11.2020 - Großbritannien

Forscher an der Universität Liverpool haben neue Möglichkeiten für die zukünftige Entwicklung nachhaltiger, sauberer Bioenergie erschlossen. Die Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, zeigt, wie bakterielle Protein-'Käfige' zu nanoskaligen Bioreaktoren für die Wasserstoffproduktion umprogrammiert werden können.

Das Carboxysom ist eine spezialisierte bakterielle Organelle, die das essentielle CO2-fixierende Enzym Rubisco in eine virusähnliche Proteinhülle einkapselt. Die natürlich gestaltete Architektur, die Semipermeabilität und die katalytische Verbesserung des Carboxysoms haben das rationale Design und die Konstruktion neuer Nanomaterialien inspiriert, um verschiedene Enzyme in die Hülle einzubauen und so die katalytische Leistung zu verbessern.

Der erste Schritt in der Studie bestand darin, dass Forscher spezifische genetische Elemente in das Industriebakterium E. coli einbauten, um leere Carboxysomenhüllen herzustellen. Außerdem identifizierten sie einen kleinen "Linker" - ein so genanntes Verkapselungspeptid -, der in der Lage ist, externe Proteine in die Hülle zu lenken.

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Der extrem sauerstoffempfindliche Charakter von Hydrogenasen (Enzyme, die die Erzeugung und Umwandlung von Wasserstoff katalysieren) ist ein seit langem bekanntes Problem für die Wasserstoffproduktion in Bakterien, weshalb das Team Methoden entwickelte, um katalytisch aktive Hydrogenasen in die leere Hülle einzubauen.

Projektleiter Professor Luning Liu, Professor für mikrobielle Bioenergetik und Bioingenieurwesen am Institut für System-, Molekular- und Integrative Biologie, sagte dazu, dass das Team Methoden entwickelt habe, um katalytisch aktive Hydrogenasen in die leere Schale einzubauen: "Unser neu konzipierter Bioreaktor ist ideal für sauerstoffempfindliche Enzyme und stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Entwicklung und Herstellung einer Biofabrik für die Wasserstoffproduktion dar.

In Zusammenarbeit mit Professor Andy Cooper in der Materials Innovation Factory (MIF) an der Universität testeten die Forscher dann die Wasserstoff-Produktionsaktivitäten der Bakterienzellen und der biochemisch isolierten Nanobioreaktoren. Der Nanobioreaktor erreichte eine ~550%ige Verbesserung der Wasserstoff-Produktionseffizienz und eine grössere Sauerstoff-Toleranz im Gegensatz zu den Enzymen ohne Schaleneinkapselung.

"Der nächste Schritt für unsere Forschung ist die Beantwortung der Frage, wie wir das Verkapselungssystem weiter stabilisieren und die Ausbeuten verbessern können", sagte Professor Liu. "Wir freuen uns auch, dass diese technische Plattform uns die Tür öffnet, um in zukünftigen Studien eine Vielzahl von synthetischen Fabriken zu schaffen, in denen verschiedene Enzyme und Moleküle für kundenspezifische Funktionen verkapselt werden können".

Erstautor, Doktorand Tianpei Li, sagte: "Aufgrund des Klimawandels besteht die dringende Notwendigkeit, den Ausstoß von Kohlendioxid aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe zu reduzieren. Unsere Studie ebnet den Weg für die Entwicklung von Nanoreaktoren auf der Basis von Carboxysomenschalen zur Rekrutierung spezifischer Enzyme und öffnet die Tür für neue Möglichkeiten zur Entwicklung nachhaltiger, sauberer Bioenergie.

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