Figura 1. La gabbia è stata progettata con sostituzioni di aminoacidi introducendo mutazioni sito-specifiche che consentivano un maggiore assorbimento di IrCp*. Credito:Takafumi Ueno del Tokyo Institute of Technology
Una nuova nanocage di ferritina ibrida con residui di istidina mostra un assorbimento di ioni metallici 1,5 volte maggiore e una migliore efficienza catalitica per la produzione di alcol, secondo i ricercatori della Tokyo Tech in un nuovo studio. Le loro scoperte suggeriscono che le bio-nanocaghe ibride potrebbero catalizzare efficacemente le reazioni per produrre prodotti importanti dal punto di vista industriale.
I polimeri biologici possono autoassemblarsi spontaneamente in strutture complesse che assomigliano a vasi o gabbie, ma sono molto più piccole e vengono chiamate "nano-gabbie". Queste strutture possono ospitare un'ampia gamma di molecole al loro interno che si comportano come "ospiti". Un esempio popolare è la "nanocage di ferritina", che è formata dall'autoassemblaggio di 24 subunità nella ferritina proteica e può racchiudere ioni metallici che sono importanti catalizzatori. Con l'aiuto di questi ioni metallici, una reazione catalitica converte qualsiasi substrato in un prodotto. Sebbene ampiamente note, le potenziali applicazioni della gabbia in ferritina nell'industria devono ancora essere completamente esplorate.
Finora, la maggior parte degli sforzi per aumentare l'assorbimento di ioni metallici nella ferritina ha portato a gabbie con bassa stabilità. Per fare in modo che l'"ospite" stia bene all'interno della gabbia, la chiave è un design efficace. Tenendo presente questo, un team di scienziati guidato dal Prof. Takafumi Ueno, del Tokyo Institute of Technology, Giappone (Tokyo Tech), ha introdotto mutazioni sito-specifiche nel nucleo della nanocage di ferritina e ne ha aumentato l'assorbimento del complesso di iridio (IrCp* ). I loro risultati sono pubblicati su Angewandte Chemie . L'iridio è un catalizzatore vitale nel percorso di produzione dell'alcol e viene utilizzato commercialmente nell'industria farmaceutica, alimentare e chimica.
Il Prof. Ueno spiega:"Sulla base della letteratura precedente, sapevamo che la presenza di aminoacidi di coordinazione nella gabbia migliora l'attività dell'iridio e che la sostituzione di questi amminoacidi con residui appropriati potrebbe alleviare il problema. Poiché il complesso di iridio si comporta come catalizzatore, la coordinazione i residui farebbero il lavoro". Gli autori hanno utilizzato l'amminoacido istidina per sostituire due residui, arginina e acido aspartico delle normali gabbie di ferritina (wild type) e creare i mutanti R52H e D38H. Sorprendentemente, la struttura dell'assieme o le dimensioni della gabbia non sono state interessate da queste modifiche.
Figura 2. La nanocage funge da biocatalizzatore ibrido durante la conversione dei substrati in alcoli con elevata specificità. Credito:Takafumi Ueno del Tokyo Institute of Technology
Successivamente, hanno aggiunto IrCp* ai mutanti e hanno scoperto che R52H era in grado di incorporare 1,5 volte più atomi di iridio rispetto alla gabbia di tipo selvaggio (Figura 1). Ma ciò che li ha colpiti è stato il mutante D38H, che si è comportato esattamente come il tipo selvaggio. Quindi, perché entrambe le mutazioni non hanno avuto lo stesso effetto? Secondo il Prof. Ueno, "Ciò implica che non è solo la presenza del residuo di istidina, ma anche la sua posizione ad essere cruciale per determinare l'efficienza di assorbimento nella gabbia".
Utilizzando le nuove gabbie catalitiche, i ricercatori sono stati in grado di raggiungere tassi di produzione di alcol fino all'88%. Evidentemente, le mutazioni hanno favorito un riassetto strutturale delle componenti di reazione, che ha migliorato il tasso di conversione (Figura 2).
Per capire come si comportava il substrato all'interno della gabbia, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni in cui le molecole del substrato potevano muoversi liberamente all'interno della nanocage. Hanno osservato alcune interazioni tra il substrato e l'istidina nel mutante R52H, che non erano presenti nella gabbia di tipo selvaggio, ovvero il substrato ha mostrato un legame preferenziale all'interno della nanocage.
"Queste bio-nanogabbie ibride sono risultate anche altamente stabili, suggerendo che potrebbero essere utilizzate come catalizzatori vitali in applicazioni industriali", conclude il Prof. Ueno. L'attuale progettazione basata sulla struttura della ricerca sul sito di legame degli ioni metallici potrebbe essere avanzata per creare nuovi mutanti di ferritina con assorbimento selettivo di molecole ospiti specifiche, per svariate applicazioni catalitiche nell'industria chimica e farmaceutica. + Esplora ulteriormente
