Forskare har för första gången omkonstruerat en byggsten i ett geometriskt nanoutrymme som förekommer naturligt i bakterier. De introducerade ett metallbindningsställe till dess skal som gör att elektroner kan överföras till och från facket. Detta ger en helt ny funktionalitet, avsevärt utöka potentialen för nanokompartment att fungera som specialtillverkade kemiska fabriker.

Forskare hoppas kunna skräddarsy denna nya användning för att producera högvärdiga kemiska produkter, såsom mediciner, på begäran.

De robusta nanofacken, som är polyedriska skal sammansatta av triangelformade sidor och liknar 20-sidiga tärningar, bildas av hundratals kopior av bara tre olika typer av proteiner. Deras naturliga motsvarigheter, kända som bakteriella mikrokompartment eller BMC, innehåller en mängd olika enzymer som utför högspecialiserad kemi i bakterier.

Forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) utarbetade syntetiska skalstrukturer härledda från de som hittades i en stavformad, havslevande bakterie, Haliangium ochraceum, och omkonstruerade ett av skalproteinerna för att fungera som en ställning för ett järn-svavelkluster som finns i många livsformer. Klustret är känt som en "kofaktor" eftersom det kan fungera som en hjälpmolekyl i biokemiska reaktioner.

BMC-baserade skal är små, hållbar och naturligt självmonterande och självreparation, vilket gör dem bättre lämpade för en rad applikationer än helt syntetiska nanostrukturer.

"Det här är första gången någon har introducerat funktionalitet i ett skal. Vi trodde att den viktigaste funktionen att introducera var förmågan att överföra elektroner in i eller ut ur skalet, sa Cheryl Kerfeld, en strukturbiolog vid Berkeley Lab och motsvarande författare i denna studie. Kerfelds forskargrupp fokuserar på BMC. Kerfeld har gemensamma uppdrag med Berkeley Labs avdelning för Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB), UC Berkeley och MSU-DOE Plant Research Laboratory vid Michigan State University (MSU).

"Det förbättrar avsevärt mångsidigheten hos de typer av kemi du kan kapsla in i skalet och spektrumet av produkter som ska produceras, " sa hon. "Typiskt, skalen ses bara som passiva barriärer."

Forskare använde röntgenstrålar vid Berkeley Labs avancerade ljuskälla (ALS) för att visa, i 3D och på atomär skala, hur det introducerade järn-svavelklustret binder till det konstruerade proteinet.

Studien är nu online i Journal of the American Chemical Society .

Enzymer inuti naturliga BMC kan omvandla koldioxid till organiska föreningar som kan användas av bakterierna, isolera giftiga eller flyktiga föreningar från den omgivande cellen, och utföra andra kemiska reaktioner som ger energi till cellen.

I den här studien, forskare introducerade järn-svavelklustret i de små porerna i skalbyggstenen. Detta konstruerade protein fungerar som ett elektronrelä över skalet, vilket är nyckeln till att kontrollera den kemiska reaktiviteten hos ämnen inuti skalet.

Clement Aussignargues, huvudförfattaren till studien och postdoktor vid MSU-DOE Plant Research Laboratory i Michigan, sa, "Det fina med vårt system är att vi nu har alla verktyg, särskilt den kristallografiska strukturen av det konstruerade proteinet, att modifiera systemets redoxpotential – dess förmåga att ta in elektroner (reduktion) eller avge elektroner (oxidation).

"Om vi ​​kan kontrollera detta, vi kan utöka utbudet av kemiska reaktioner vi kan kapsla in i skalet. Gränsen för dessa applikationer kommer att vara vad vi lägger in i skalen, inte själva skalen."

Han lade till, "Att skapa ett nytt mikrofack från grunden skulle vara mycket, väldigt komplicerat. Det är därför vi tar vad naturen lägger framför oss och försöker lägga till vad naturen kan göra."

För att designa metallbindningsstället, Kerfelds grupp var först tvungen att lösa strukturerna för byggstenarna i nanoavdelningen för att använda som mall för design. Dessa byggstenar monteras själv till syntetiska skal, som mäter bara 40 nanometer, eller miljarddels meter, i diameter. Skalens naturliga form kan vara upp till 12 gånger större.

Järn-svavelkofaktorn för det konstruerade proteinet, som producerades i E. coli-bakterier, var mycket stabil även när den gick igenom flera redoxcykler - en egenskap som är väsentlig för framtida tillämpningar, sa Aussignargues. "Det konstruerade proteinet var också mer stabilt än dess naturliga motsvarighet, vilket var en stor överraskning, ", sa han. "Du kan behandla det med saker som normalt får proteiner att falla isär och varva ner."

En stor utmaning i studien var att förbereda det konstruerade proteinet i en syrefri miljö för att bilda små kristaller som bäst bevarar sin struktur och sin kofaktor för röntgenbilder, sa Kerfeld. Kristallerna preparerades i ett luftförseglat handskfack vid MSU, frysta, och skickades sedan ut för röntgenstudier vid Berkeley Labs ALS och SLAC National Accelerator Laboratorys Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL).

I uppföljningsarbetet, forskargruppen undersöker hur man kan införliva olika metallcentra i BMC-skal för att få tillgång till ett annat spektrum av kemisk reaktivitet, Hon sa.

"Jag jobbar på att införliva ett helt annat metallcenter, som har en mycket positiv reduktionspotential jämfört med järn-svavelklustret, " sa Jeff Plegaria, en postdoktor vid MSU-DOE Plant Research Laboratory som bidrog till den senaste studien. "Men det är samma typ av idé:att driva elektroner in eller ut ur facket."

Han lade till, "Nästa steg är att kapsla in proteiner som kan ta emot elektroner i skalen, och att använda det som en sond för att se elektronöverföringen från utsidan av facket till insidan." Det kommer att föra forskare närmare att skapa specifika typer av läkemedel eller andra kemikalier.