Progettazione proteica de novo di centri di reazione fotochimica

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4937 (2022) Citare questo articolo

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I complessi proteici fotosintetici naturali catturano la luce solare per alimentare la catalisi energetica che sostiene la vita sulla Terra. Eppure queste strutture proteiche naturali portano con sé un’eredità evolutiva di complessità e fragilità che ostacola gli sforzi di reingegnerizzazione delle proteine ​​e offusca le regole di progettazione sottostanti per la separazione della carica guidata dalla luce. Lo sviluppo de novo di una proteina semplificata del centro di reazione fotosintetica può chiarire i principi pratici di ingegneria necessari per costruire nuovi enzimi per un’efficiente conversione dell’energia solare in combustibile. Qui riportiamo la progettazione razionale, la struttura cristallina a raggi X e l'attività di trasferimento di elettroni di una proteina multi-cofattore che incorpora elementi essenziali dei centri di reazione fotosintetica. Questa struttura proteica artificiale modulare, altamente stabile, può essere ricostituita in vitro con centri redox intercambiabili per la separazione della carica fotochimica su scala nanometrica. La spettroscopia di assorbimento transitorio dimostra l'ossidazione della tirosina e dei cluster metallici simile al Fotosistema II e misuriamo durate di separazione della carica superiori a 100 ms, ideali per la catalisi attivata dalla luce. Questo centro di reazione progettato de novo si basa su linee guida ingegneristiche stabilite per la separazione di carica in precedenti triadi fotochimiche sintetiche e proteine ​​naturali modificate, e mostra come la biologia sintetica possa portare a una nuova generazione di catalizzatori geneticamente codificati e alimentati dalla luce per la produzione di combustibile solare.

La costruzione de novo di centri di reazione fotosintetica artificiale offre un mezzo per testare la nostra comprensione del trasporto biologico degli elettroni e per riprogettare la fotosintesi in modi che possano essere mirati direttamente ai bisogni umani. I centri di reazione naturali raggiungono una separazione di carica unidirezionale, attivata dalla luce, manipolando le velocità di trasferimento degli elettroni in catene di cofattori redox1,2,3. Il flusso lineare di elettroni nelle piante verdi e nei cianobatteri inizia con l'acqua come fonte di elettroni per produrre equivalenti di H2 per l'energia chimica, rilasciando O2 nel processo4,5. I fototrofi ossigenici coprono l'ampio intervallo redox tra l'ossidazione dell'acqua e la riduzione dei protoni utilizzando due centri di reazione, i fotosistemi I e II (PSI e PSII), per assorbire due fotoni per ciascun elettrone estratto dall'acqua4,6,7. In linea di principio, un singolo fotone visibile assorbito dai pigmenti naturali della clorofilla è sufficientemente energetico per alimentare entrambe le reazioni, suggerendo una strada verso l’aumento dell’efficienza complessiva della conversione dell’energia solare in combustibile4,8. Il nostro obiettivo finale è sviluppare un sistema fotosintetico con un centro di reazione che supporti l’ossidazione dell’acqua e la riduzione dei protoni con una minima perdita di energia in calore.

I recenti progressi nella progettazione delle proteine ​​de novo hanno facilitato il legame di piccole molecole multiple e varie e di ioni metallici all'interno della distanza di tunneling elettronico l'uno dall'altro9,10,11,12,13,14,15. La prossima sfida per la trasduzione dell’energia solare in una proteina artificiale è quella di assemblare una catena di trasporto degli elettroni a più fasi in grado di convertire l’energia dei fotoni in uno stato separato da carica che persista abbastanza a lungo da essere utilizzato per reazioni chimiche come la produzione di carburante. A tal fine, abbiamo progettato una maquette proteica del centro di reazione fotosintetica (la maquette RC) e abbiamo risolto la sua struttura cristallina a raggi X in molteplici stati di assemblaggio. La maquette RC raggiunge una separazione di carica di lunga durata, attivata dalla luce e riproduce molti degli elementi dei centri di reazione naturali: tirosina e ossidazione di cluster metallici che ricordano il lato ossidante dell'acqua del PSII, nonché riduzione di accettori a basso potenziale, comprese le porfirine Co noto per partecipare alla riduzione dei protoni a H216,17.

I centri di reazione fotosintetica naturale ottengono la separazione della carica fotochimica ancorando un pigmento attivato dalla luce tra due catene di trasferimento di elettroni. Una catena fornisce un accettore di elettroni per il pigmento eccitato e l'altra un donatore di elettroni che ripristina lo stato fondamentale del pigmento creando una coppia donatore-accettore a carica separata (Fig. 1a). Mentre le catene accettanti o donatrici di elettroni sono state sviluppate in proteine ​​naturali modificate18,19,20,21,22,23,24,25,26 e in una proteina de novo con un derivato trisbipiridinico di rutenio reticolato15, il nostro progetto condensa le catene estese di trasferimento di elettroni dei centri di reazione naturali a una triade elementare donatore-pigmento-accettore, simboleggiata come DPA27,28.