A engenharia celular pode ser uma ferramenta poderosa para sintetizar cristais de proteínas funcionais com propriedades catalíticas promissoras, mostram pesquisadores da Tokyo Tech. Usando bactérias geneticamente modificadas como plataforma de síntese ecologicamente correta, os pesquisadores produziram catalisadores sólidos híbridos para fotossíntese artificial. Esses catalisadores apresentam alta atividade, estabilidade e durabilidade, destacando o potencial da abordagem inovadora proposta.



Os cristais de proteína, assim como os cristais normais, são estruturas moleculares bem ordenadas com diversas propriedades e um enorme potencial de personalização. Eles podem ser montados naturalmente a partir de materiais encontrados nas células, o que não só reduz enormemente os custos de síntese, mas também diminui o seu impacto ambiental.

Embora os cristais de proteínas sejam promissores como catalisadores porque podem hospedar várias moléculas funcionais, as técnicas atuais permitem apenas a ligação de pequenas moléculas e proteínas simples. Assim, é imperativo encontrar maneiras de produzir cristais de proteína contendo enzimas naturais e moléculas funcionais sintéticas para explorar todo o seu potencial de imobilização enzimática.

Neste contexto, uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) liderada pelo professor Takafumi Ueno desenvolveu uma estratégia inovadora para produzir catalisadores sólidos híbridos baseados em cristais de proteínas. Conforme explicado no artigo publicado em Nano Letters em 12 de julho de 2023, sua abordagem combina engenharia in-cell e um processo in vitro simples para produzir catalisadores para fotossíntese artificial.

O alicerce do catalisador híbrido é um monômero proteico derivado de um vírus que infecta o bicho-da-seda Bombyx mori. Os pesquisadores introduziram o gene que codifica essa proteína na bactéria Escherichia coli, onde os monômeros produzidos formaram trímeros que, por sua vez, se reuniram espontaneamente em cristais de poliedros estáveis ​​(PhCs), ligando-se uns aos outros através de sua hélice α N-terminal (H1 ).

Além disso, os pesquisadores introduziram uma versão modificada do gene da formato desidrogenase (FDH) de uma espécie de levedura no genoma da E. coli. Este gene fez com que as bactérias produzissem enzimas FDH com terminais H1, levando à formação de cristais híbridos H1-FDH@PhC dentro das células.

A equipe extraiu os cristais híbridos da bactéria E. coli por meio de sonicação e centrifugação gradiente, e os embebeu em uma solução contendo um fotossensibilizador artificial chamado eosina Y (EY). Como resultado, os monômeros proteicos, que foram geneticamente modificados de modo que seu canal central pudesse hospedar uma molécula de eosina Y, facilitaram a ligação estável de EY ao cristal híbrido em grandes quantidades.

Através deste processo engenhoso, a equipe conseguiu produzir catalisadores EY·H1-FDH@PhC altamente ativos, recicláveis ​​e termicamente estáveis ​​que podem converter dióxido de carbono (CO₂ ) no formato (HCOO ⁻ ) após exposição à luz, imitando a fotossíntese. Além disso, mantiveram 94,4% da sua atividade catalítica após a imobilização em comparação com a da enzima livre.

“A eficiência de conversão do cristal híbrido proposto foi uma ordem de grandeza superior à dos compostos relatados anteriormente para fotossíntese artificial enzimática baseada em FDH”, diz o Prof. "Além disso, o PhC híbrido permaneceu no estado de montagem de proteína sólida após suportar processos de engenharia in vivo e in vitro, demonstrando a notável capacidade de cristalização e forte plasticidade dos PhCs como estruturas de encapsulamento."

No geral, este estudo mostra o potencial da bioengenharia para facilitar a síntese de materiais funcionais complexos. “A combinação de técnicas in vivo e in vitro para o encapsulamento de cristais de proteínas provavelmente fornecerá uma estratégia eficaz e ecologicamente correta para pesquisas nas áreas de nanomateriais e fotossíntese artificial”, conclui o Prof.

Mais informações: Tiezheng Pan et al, Engenharia In-Cell de Cristais de Proteínas em Catalisadores Sólidos Híbridos para Fotossíntese Artificial, Nano Letras (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c02355
Informações do diário: Nanoletras

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Tóquio