Ilustración de un carboxisoma y enzimas para producir hidrógeno, combustible limpio
Ilustración de un carboxisoma y enzimas para producir hidrógeno, combustible limpio. Crédito: Profesor Luning Liu.

Investigadores de la Universidad de Liverpool han abierto nuevas posibilidades para el desarrollo futuro de bioenergía limpia y sostenible. El estudio, publicado en Nature Communications, muestra cómo las ‘jaulas’ de proteínas bacterianas pueden reprogramarse como biorreactores a nanoescala para la producción de hidrógeno, que es un combustible limpio.

El carboxisoma es un orgánulo bacteriano especializado que encapsula la enzima Rubisco, esencial fijadora de dióxido de carbono (CO2), en una capa de proteína similar a un virus. La arquitectura de diseño natural, la semipermeabilidad y la mejora catalítica de los carboxisomas han inspirado el diseño racional y la ingeniería de nuevos nanomateriales para incorporar diferentes enzimas en una capa para un mejor rendimiento catalítico.

El primer paso del estudio involucró a investigadores que instalaban elementos genéticos específicos en la bacteria industrial E. coli para producir conchas carboxisomas vacías. Además, identificaron un pequeño “enlazador”, llamado péptido de encapsulación, capaz de dirigir proteínas externas al interior del caparazón.

El carácter extremadamente sensible al oxígeno de las hidrogenasas (enzimas que catalizan la generación y conversión de hidrógeno) es un problema de larga duración para la producción de hidrógeno en bacterias, por lo que el equipo desarrolló métodos para incorporar hidrogenasas catalíticamente activas en la capa vacía.

“Nuestro estudio allana el camino para diseñar nanoreactores carboxisomas basados en cáscaras para reclutar enzimas específicas y nuevas posibilidades para desarrollar bioenergía limpia y sostenible”

El líder del proyecto, Luning Liu, profesor de bioenergética y bioingeniería microbiana en el Instituto de sistemas, biología molecular e integrativa, comenta que “nuestro biorreactor de nuevo diseño es ideal para enzimas sensibles al oxígeno y marca un paso importante hacia la capacidad de desarrollar y construir una biofábrica para la producción de hidrógeno [combustible limpio]”.

En colaboración con el profesor Andy Cooper de la Fábrica de Innovación de Materiales (MIF) de la universidad, los investigadores luego probaron las actividades de producción de hidrógeno de las células bacterianas y los nanobiorreactores bioquímicamente aislados. El nanobiorreactor logró una mejora de ~550% en la eficiencia de producción de hidrógeno y una mayor tolerancia al oxígeno en contraste con las enzimas sin encapsulación de caparazón.

El siguiente paso de nuestra investigación es responder cómo podemos estabilizar aún más el sistema de encapsulación y mejorar los rendimientos“, asegura el profesor Liu. “También estamos entusiasmados de que esta plataforma técnica nos abra la puerta, en estudios futuros, para crear una amplia gama de fábricas sintéticas para encapsular varias enzimas y moléculas para funciones personalizadas“.

El primer autor, el estudiante de doctorado Tianpei Li, afirma que “debido al cambio climático, existe una necesidad urgente de reducir la emisión de dióxido de carbono de la quema de combustibles fósiles. Nuestro estudio allana el camino para diseñar nanoreactores carboxisomas basados en cáscaras para reclutar enzimas específicas y nuevas posibilidades para desarrollar bioenergía limpia y sostenible“.

Fuente: Nature Communications.

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