Nuevo nanobiorreactor de proteínas diseñado para mejorar la producción de bioenergía sostenible
Reprogramación de orgánulos de proteínas bacterianas como un nanorreactor para la producción de hidrógeno
Los investigadores de la Universidad de Liverpool han abierto nuevas posibilidades para el desarrollo futuro de la bioenergía sostenible y limpia. El estudio, publicado en Nature Communications, muestra cómo las "jaulas" de proteínas bacterianas pueden ser reprogramadas como biorreactores a nanoescala para la producción de hidrógeno.
Ilustración de un carboxisoma y enzimas.
Professor Luning Liu
El carboxisoma es un orgánulo bacteriano especializado que encapsula la enzima esencial de fijación de CO2 Rubisco en una envoltura de proteína similar a la de un virus. La arquitectura de diseño natural, la semipermeabilidad y la mejora catalítica de los carboxisomas han inspirado el diseño racional y la ingeniería de nuevos nanomateriales para incorporar diferentes enzimas en la cáscara para mejorar el rendimiento catalítico.
El primer paso del estudio consistió en que los investigadores instalaran elementos genéticos específicos en la bacteria industrial E. coli para producir carcasas vacías de carboxisomas. Además, identificaron un pequeño "enlazador", llamado péptido de encapsulación, capaz de dirigir proteínas externas a la cáscara.
El carácter extremadamente sensible al oxígeno de las hidrogenasas (enzimas que catalizan la generación y conversión de hidrógeno) es un problema de larga data para la producción de hidrógeno en las bacterias, por lo que el equipo desarrolló métodos para incorporar hidrogenasas catalíticamente activas en la cáscara vacía.
El jefe del proyecto, el profesor Luning Liu, profesor de bioenergética microbiana y bioingeniería en el Instituto de Sistemas, Biología Molecular e Integrativa, dijo: "Nuestro biorreactor de nuevo diseño es ideal para las enzimas sensibles al oxígeno, y marca un paso importante para poder desarrollar y producir una biofábrica para la producción de hidrógeno".
En colaboración con el Profesor Andy Cooper en la Fábrica de Innovación de Materiales (FIM) de la Universidad, los investigadores probaron entonces las actividades de producción de hidrógeno de las células bacterianas y los nanobiorreactores aislados bioquímicamente. El nanobiorreactor logró una mejora de ~550% en la eficiencia de la producción de hidrógeno y una mayor tolerancia al oxígeno, en contraste con las enzimas sin encapsulación en la cáscara.
"El siguiente paso de nuestra investigación es responder cómo podemos estabilizar aún más el sistema de encapsulación y mejorar los rendimientos", dijo el profesor Liu. "También nos entusiasma que esta plataforma técnica nos abra la puerta, en futuros estudios, para crear una gama diversa de fábricas sintéticas para encapsular diversas enzimas y moléculas para funciones personalizadas".
El primer autor, el estudiante de doctorado Tianpei Li, dijo: "Debido al cambio climático, hay una necesidad urgente de reducir la emisión de dióxido de carbono de la quema de combustibles fósiles. Nuestro estudio prepara el camino para la ingeniería de nanorreactores basados en carcasas carboxísticas para reclutar enzimas específicas y abre la puerta a nuevas posibilidades para desarrollar una bioenergía sostenible y limpia".
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