Kafesteki Kediler: Geliştirilmiş Katalitik Verimlilik için Yeni Hibrit Nanokafesler
Histidin kalıntılarına sahip yeni bir hibrit ferritin nanokafesi, alkol üretimi için 1,5 kat daha yüksek metal iyon alımı ve gelişmiş katalitik verimlilik gösterir. Bulguları, hibrit biyo-nanokajların endüstriyel olarak önemli ürünler elde etmek için reaksiyonları etkili bir şekilde katalize edebileceğini gösteriyor.
Biyolojik polimerler, gemilere veya kafeslere benzeyen, ancak çok daha küçük olan ve “nano kafesler” olarak adlandırılan karmaşık yapılar halinde kendiliğinden bir araya gelebilir. Bu yapılar, içlerinde “misafir” gibi davranan çok çeşitli molekülleri barındırabilir. Popüler bir örnek, 24 alt birimin protein ferritine dönüşmesiyle oluşan ve önemli katalizörler olan metal iyonlarını içine alabilen “ferritin nano kafesi”dir. Bu metal iyonlarının yardımıyla katalitik bir reaksiyon, herhangi bir substratı ürüne dönüştürür. Yaygın olarak bilinmesine rağmen, ferritin kafesinin endüstrideki potansiyel uygulamaları henüz tam olarak keşfedilmemiştir.
Şimdiye kadar, ferritinde metal iyonu alımını arttırmaya yönelik çabaların çoğu, düşük kararlılığa sahip kafeslerle sonuçlanmıştır. “Misafirin” kafeste iyi oturmasını sağlamak için etkili tasarım anahtardır. Bunu akılda tutarak, Japonya’daki Tokyo Teknoloji Enstitüsü’nden (Tokyo Tech) Prof. Takafumi Ueno liderliğindeki bir bilim insanları ekibi, ferritin nanokafesinin çekirdeğinde bölgeye özgü mutasyonları tanıttı ve iridyum kompleksinin (IrCp*) alımını artırdı. Bulgular, Angewandte Chemie’de yayınlandı. İridyum, alkol üretim yolunda hayati bir katalizördür ve farmasötik, gıda ve kimya endüstrilerinde ticari olarak kullanılır.
Prof. Ueno, “Önceki literatüre dayanarak, kafeste koordinasyon amino asitlerinin varlığının iridyum aktivitesini iyileştirdiğini ve bu amino asitleri uygun kalıntılarla değiştirmenin sorunu hafifletebileceğini biliyorduk. İridyum kompleksi bir katalizör gibi davrandığından, koordinasyon kalıntıları işi yapar.” Yazarlar, normal (vahşi tip) ferritin kafeslerinin iki kalıntısı, arginin ve aspartik asitin yerini almak ve R52H ve D38H mutantlarını oluşturmak için histidin amino asidini kullandılar. Dikkat çekici bir şekilde, montaj yapısı veya kafes boyutu bu değişikliklerden etkilenmedi.
Daha sonra mutantlara IrCp* eklediler ve R52H’nin vahşi tip kafesten 1,5 kat daha fazla iridyum atomu gömebildiğini buldular(Şekil 1). Ancak onları asıl şaşırtan, tıpkı vahşi tip gibi davranan D38H mutantıydı! Peki, neden her iki mutasyon da aynı etkiye sahip olmadı? Prof. Ueno’ya göre, “Bu, yalnızca histidin kalıntısının varlığı değil, aynı zamanda kafeste alım verimliliğini belirlemek için çok önemli olan konumu olduğu anlamına gelir.”
Yeni katalitik kafesleri kullanan araştırmacılar, %88'e varan alkol üretim oranlarına ulaşabildiler. Açıkça, mutasyonlar, dönüşüm oranını artıran reaksiyon bileşenlerinin yapısal olarak yeniden düzenlenmesini destekledi (Şekil 3).
Alt tabakanın kafes içinde nasıl davrandığını anlamak için araştırmacılar, alt tabaka moleküllerinin nanokafes içinde serbestçe hareket edebildiği simülasyonlar kullandılar. Yabani tip kafeste mevcut olmayan R52H mutantında substrat ve histidin arasında bazı etkileşimler gözlemlediler, yani substrat nanokafes içinde tercihli bağlanma gösterdi.
Prof. Ueno, “Bu hibrit biyo-nanokajların da son derece kararlı olduğu bulundu, bu da endüstriyel uygulamalarda uygulanabilir katalizörler olarak kullanılabileceklerini düşündürüyor.” Metal iyon bağlama bölgesi araştırmasının mevcut yapı tabanlı tasarımı, kimya ve farmasötik endüstrisinde çeşitli katalitik uygulamalar için spesifik konuk moleküllerin seçici alımı ile yeni ferritin mutantları oluşturmak üzere geliştirilebilir.
Kaynak:
