Forskare vid University of Liverpool har låst upp nya möjligheter för framtida utveckling av hållbara, ren bioenergi. Studien, publiceras i Naturkommunikation , visar hur bakteriernas "burar" kan omprogrammeras som bioreaktorer i nanoskala för väteproduktion.

Karboxysomen är en specialiserad bakteriell organell som kapslar in den essentiella CO ₂ -fixering av enzymet Rubisco i ett virusliknande proteinskal. Den naturligt utformade arkitekturen, semipermeabilitet, och katalytisk förbättring av karboxysomer har inspirerat den rationella designen och konstruktionen av nya nanomaterial för att införliva olika enzymer i skalet för förbättrad katalytisk prestanda.

Det första steget i studien involverade forskare som installerade specifika genetiska element i den industriella bakterien E coli att producera tomma karboxisomskal. De identifierade vidare en liten "linker" - kallad en inkapslingspeptid - som kan styra externa proteiner in i skalet.

Den extremt syrekänsliga karaktären hos hydrogenaser (enzymer som katalyserar generering och omvandling av väte) är en långvarig fråga för väteproduktion i bakterier, så teamet utvecklade metoder för att införliva katalytiskt aktiva hydrogenaser i det tomma skalet.

Projektledare professor Luning Liu, Professor i mikrobiell bioenergetik och bioteknik vid Institute of Systems, Molekylär och integrativ biologi, sa:"Vår nydesignade bioreaktor är idealisk för syrekänsliga enzymer, och markerar ett viktigt steg mot att kunna utveckla och producera en biofabrik för väteproduktion."

I samarbete med professor Andy Cooper i Materials Innovation Factory (MIF) vid universitetet, forskarna testade sedan väteproduktionsaktiviteterna hos bakteriecellerna och de biokemiskt isolerade nanobioreaktorerna. Nanobioreaktorn uppnådde en ~550% förbättring av väteproduktionseffektiviteten och en större syretolerans i motsats till enzymerna utan skalinkapsling.

"Nästa steg för vår forskning är att svara på hur vi ytterligare kan stabilisera inkapslingssystemet och förbättra avkastningen, " sa professor Liu. "Vi är också glada över att denna tekniska plattform öppnar dörren för oss, i framtida studier, att skapa ett varierat utbud av syntetiska fabriker för att innesluta olika enzymer och molekyler för skräddarsydda funktioner."

Förste författare, Ph.D. student Tianpei Li, sade:"På grund av klimatförändringar, det finns ett akut behov av att minska utsläppen av koldioxid från förbränning av fossila bränslen. Vår studie banar väg för att konstruera karboxisomskalbaserade nanoreaktorer för att rekrytera specifika enzymer och öppnar dörren för nya möjligheter för att utveckla hållbara, ren bioenergi."