Uma nova nano gaiola híbrida de ferritina com resíduos de histidina mostra uma absorção de íons metálicos 1,5 vezes maior e uma eficiência catalítica aprimorada para a produção de álcool, de acordo com pesquisadores da Tokyo Tech em um novo estudo. Suas descobertas sugerem que bionanocages híbridas podem efetivamente catalisar reações para produzir produtos industrialmente importantes.
Polímeros biológicos podem se auto-montar espontaneamente em estruturas complexas que se assemelham a vasos ou gaiolas, mas são muito menores e são chamadas de "nano-gaiolas". Essas estruturas podem acomodar uma ampla gama de moléculas dentro delas que se comportam como "convidadas". Um exemplo popular é a "ferritina nanocage", que é formada pela automontagem de 24 subunidades na proteína ferritina e pode conter íons metálicos que são importantes catalisadores. Com a ajuda desses íons metálicos, uma reação catalítica converte qualquer substrato em um produto. Embora amplamente conhecidas, as potenciais aplicações da gaiola de ferritina na indústria ainda não foram totalmente exploradas.

Até agora, a maioria dos esforços para aumentar a absorção de íons metálicos na ferritina resultou em gaiolas com baixa estabilidade. Para fazer o "convidado" sentar-se bem dentro da gaiola, o design eficaz é a chave. Tendo isso em mente, uma equipe de cientistas liderada pelo Prof. Takafumi Ueno, do Instituto de Tecnologia de Tóquio, Japão (Tokyo Tech), introduziu mutações sítio-específicas no núcleo da nano gaiola de ferritina e aumentou sua absorção do complexo de irídio (IrCp* ). Suas descobertas são publicadas em Angewandte Chemie . O irídio é um catalisador vital na via de produção de álcool e é usado comercialmente nas indústrias farmacêutica, alimentícia e química.

O Prof. Ueno explica:"Com base na literatura anterior, sabíamos que a presença de aminoácidos de coordenação na gaiola melhora a atividade de irídio e que a substituição desses aminoácidos por resíduos apropriados poderia aliviar o problema. Como o complexo de irídio se comporta como um catalisador, a coordenação resíduos fariam o trabalho." Os autores usaram o aminoácido histidina para substituir dois resíduos, arginina e ácido aspártico das gaiolas de ferritina regulares (tipo selvagem) e criar os mutantes R52H e D38H. Notavelmente, a estrutura de montagem ou o tamanho da gaiola não foram afetados por essas mudanças.

Em seguida, eles adicionaram IrCp* aos mutantes e descobriram que R52H foi capaz de incorporar 1,5 vezes mais átomos de irídio do que a gaiola do tipo selvagem (Figura 1). Mas, o que os impressionou foi o mutante D38H, que se comportou exatamente como o tipo selvagem. Então, por que ambas as mutações não tiveram o mesmo efeito? De acordo com o Prof. Ueno, "Isto implica que não é apenas a presença do resíduo de histidina, mas também sua posição que é crucial para determinar a eficiência de absorção na gaiola".

Usando as novas gaiolas catalíticas, os pesquisadores conseguiram atingir taxas de produção de álcool de até 88%. Evidentemente, as mutações favoreceram um rearranjo estrutural dos componentes da reação, o que aumentou a taxa de conversão (Figura 2).

Para entender como o substrato se comportava dentro da gaiola, os pesquisadores usaram simulações em que as moléculas do substrato podiam se mover livremente dentro da nano gaiola. Eles observaram algumas interações entre o substrato e a histidina no mutante R52H, que não estavam presentes na gaiola tipo selvagem, ou seja, o substrato apresentou ligação preferencial dentro da nano gaiola.

"Estas bio-nanocages híbridas também se mostraram altamente estáveis, sugerindo que poderiam ser usadas como catalisadores viáveis ​​em aplicações industriais", conclui o Prof. Ueno. O projeto atual baseado na estrutura da pesquisa do sítio de ligação do íon metálico pode ser avançado para criar novos mutantes de ferritina com absorção seletiva de moléculas hóspedes específicas, para aplicações catalíticas variadas na indústria química e farmacêutica. + Explorar mais

Gaiolas de proteína para projetar várias reações catalíticas