Модифицированный фермент, который набирает силу за счет защиты внутри белковой оболочки — или «капсида» — бактериального вируса, этот новый материал в 150 раз более эффективен, чем неизмененная форма фермента.О процессе создания материала недавно сообщалось в статье «Самособирающиеся биомолекулярные катализаторы для производства водорода» в журнале Nature Chemistry.
«По сути, мы взяли способность вируса самостоятельно собирать мириады генетических строительных блоков и включили очень хрупкий и чувствительный фермент с замечательным свойством принимать протоны и выплевывать газообразный водород», — сказал Тревор Дуглас, профессор графства Блаф. Химия в Блумингтонском колледже искусств и химического факультета факультета химии Блумингтона, который руководил исследованием. «Конечным результатом является вирусоподобная частица, которая ведет себя так же, как очень сложный материал, катализирующий производство водорода».
Другими учеными IU, которые внесли свой вклад в исследование, были Меган К. Тильджес, доцент химии; Итан Дж. Эдвардс, доктор философии. ученик; и Пол С. Джордан, научный сотрудник Alios BioPharma, доктор философии IU. студент на момент учебы.Генетический материал, используемый для создания фермента, гидрогеназы, производится двумя генами обычных бактерий Escherichia coli, вставленными внутрь защитного капсида с использованием методов, ранее разработанных этими учеными.
Гены hyaA и hyaB — это два гена в E. coli, которые кодируют ключевые субъединицы фермента гидрогеназы. Капсид происходит из бактериального вируса, известного как бактериофаг P22.
Полученный биоматериал, называемый «P22-Hyd», не только более эффективен, чем неизмененный фермент, но также производится путем простого процесса ферментации при комнатной температуре.Этот материал потенциально намного дешевле и более безопасен для окружающей среды в производстве, чем другие материалы, которые в настоящее время используются для создания топливных элементов.
Например, дорогостоящая и редкометальная платина обычно используется для катализирования водорода в качестве топлива в таких продуктах, как концептуальные автомобили высокого класса.«Этот материал сопоставим с платиной, за исключением того, что он действительно возобновляемый», — сказал Дуглас. «Вам не нужно его добывать; вы можете создать его при комнатной температуре в массовом масштабе, используя технологию ферментации; он поддается биологическому разложению. Это очень экологичный процесс, позволяющий производить высококачественный экологически чистый материал».Кроме того, P22-Hyd как разрывает химические связи воды, создавая водород, так и работает наоборот, рекомбинируя водород и кислород для выработки энергии. «Реакция протекает в обоих направлениях — ее можно использовать либо в качестве катализатора производства водорода, либо в качестве катализатора топливных элементов», — сказал Дуглас.
Форма гидрогеназы — одна из трех, встречающихся в природе: дихелезная (FeFe) -, только железная (только Fe) — и никель-железная (NiFe) -гидрогеназа. Третья форма была выбрана для нового материала из-за его способности легко интегрироваться в биоматериалы и выдерживать воздействие кислорода.
NiFe-гидрогеназа также приобретает значительно большую устойчивость после инкапсуляции к разрушению химическими веществами в окружающей среде, и она сохраняет способность катализировать при комнатной температуре.
Неизмененная NiFe-гидрогеназа, напротив, очень восприимчива к разрушению химическими веществами в окружающей среде и разрушается при температурах выше комнатной — оба эти фактора делают незащищенный фермент плохим выбором для использования в производственных и коммерческих продуктах, таких как автомобили.Эта чувствительность — «одна из основных причин, по которым ферменты ранее не оправдали своих технологических обещаний», — сказал Дуглас.
Другой — их сложность в производстве.«Ни у кого никогда не было возможности создать достаточно большое количество этой гидрогеназы, несмотря на ее невероятный потенциал для производства биотоплива.
Но теперь у нас есть метод стабилизации и производства большого количества материала — и огромного повышения эффективности», он сказал.По словам Сеунг-Вука Ли, профессора биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли, это развитие имеет большое значение, и он не принимал участия в исследовании.«Группа Дугласа возглавляла разработку наноматериалов на основе белков или вирусов в течение последних двух десятилетий.
Это новая новаторская работа по производству экологически чистых видов топлива для решения реальной энергетической проблемы, с которой мы сталкиваемся сегодня, и оказания немедленного воздействия. в нашей жизни в ближайшем будущем », — сказал Ли, чья работа была процитирована в отчете Конгресса США об использовании вирусов в производстве.Помимо нового исследования, Дуглас и его коллеги продолжают превращать P22-Hyd в идеальный ингредиент для водородной энергетики, исследуя способы активации каталитической реакции с солнечным светом, в отличие от введения выборов с использованием лабораторных методов.
«Включение этого материала в систему, работающую от солнечной энергии, — следующий шаг», — сказал Дуглас.