Nanobiorreactor de proteínas para la producción de bioenergía sostenible

Investigadores de la Universidad de Liverpool han abierto nuevas posibilidades para el desarrollo futuro de bioenergía limpia y sostenible. El estudio, publicado en Nature Communications , muestra cómo 'jaulas' de proteínas bacterianas se pueden reprogramar como biorreactores a nanoescala para la producción de hidrógeno.


Ilustración de un carboxisoma y enzimas. Crédito: Profesor Luning Liu

El carboxisoma es un orgánulo bacteriano especializado que encapsula la enzima Rubisco, que fija el CO2 esencial, en una capa de proteína similar a 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 carcasa para un mejor rendimiento catalítico.


El primer paso del estudio involucró a investigadores que instalaban elementos genéticos específicos en la bacteria industrial E. coli para producir conchas carboxisomas vacías. Además, identificaron un pequeño "enlazador", llamado péptido de encapsulación, capaz de dirigir proteínas externas hacia el caparazón.


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 bacterias, por lo que el equipo desarrolló métodos para incorporar hidrogenasas catalíticamente activas en la capa vacía.


El profesor líder del proyecto, Luning Liu, profesor de bioenergética y bioingeniería microbiana en el Instituto de Sistemas, Biología Molecular e Integrativa, dijo: "Nuestro biorreactor de nuevo diseño es ideal para enzimas sensibles al oxígeno y marca un paso importante para poder desarrollar una bio-fábrica para la producción de hidrógeno".


En colaboración con el profesor Andy Cooper en la Fábrica de Innovación de Materiales (MIF) de la Universidad de Liverpool, los investigadores luego probaron las actividades de producción de hidrógeno de las células bacterianas y los nanobiorreactores bioquímicamente aislados. El nanobiorreactor logró una mejora de ~550% en la eficiencia de producción de hidrógeno y una mayor tolerancia al oxígeno en contraste con las enzimas sin encapsulación de la coraza.


"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 estamos entusiasmados de que esta plataforma técnica nos abra la puerta, en estudios futuros, para crear una gama diversa de fábricas sintéticas para encapsular varias enzimas y moléculas para funciones personalizadas".


El estudiante de doctorado Tianpei Li, dijo: "Debido al cambio climático, existe una necesidad urgente de reducir la emisión de dióxido de carbono de la quema de combustibles fósiles. Nuestro estudio allana el camino para la ingeniería de nanoreactores carboxisoma basados ​​en caparazones para reclutar enzimas específicas y abre la puerta a nuevas posibilidades para el desarrollo de bioenergía limpia y sostenible".




 

Más información: Tianpei Li et al. Reprogramming bacterial protein organelles as a nanoreactor for hydrogen production. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-19280-0

 

Nota original: University of Liverpool

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