광화학 반응 센터의 새로운 단백질 설계

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4937(2022) 이 기사 인용

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천연 광합성 단백질 복합체는 햇빛을 포착하여 지구상의 생명체를 지탱하는 에너지 촉매 작용에 힘을 실어줍니다. 그러나 이러한 천연 단백질 구조는 단백질 리엔지니어링 노력을 방해하고 빛 구동 전하 분리에 대한 기본 설계 규칙을 난독화하는 복잡성과 취약성의 진화적 유산을 가지고 있습니다. 단순화된 광합성 반응 센터 단백질의 새로운 개발은 효율적인 태양 에너지 전환을 위한 새로운 효소를 구축하는 데 필요한 실용적인 공학 원리를 명확히 할 수 있습니다. 여기에서는 광합성 반응 센터의 필수 요소를 통합하는 다중 보조인자 단백질의 합리적인 설계, X선 결정 구조 및 전자 전달 활동을 보고합니다. 이 매우 안정적인 모듈식 인공 단백질 프레임워크는 나노미터 규모의 광화학 전하 분리를 위한 상호 교환 가능한 산화환원 센터를 사용하여 시험관 내에서 재구성될 수 있습니다. 과도 흡수 분광법은 광계 II와 유사한 티로신 및 금속 클러스터 산화를 보여 주며, 광 활성화 촉매 작용에 이상적인 100ms를 초과하는 전하 분리 수명을 측정합니다. 새롭게 설계된 이 반응 센터는 초기 합성 광화학 삼중체 및 변형된 천연 단백질의 전하 분리를 위해 확립된 엔지니어링 지침을 기반으로 하며, 합성 생물학이 어떻게 태양 연료 생산을 위한 유전적으로 암호화된 광 동력 촉매의 새로운 세대로 이어질 수 있는지 보여줍니다.

인공 광합성 반응 센터의 새로운 건설은 생물학적 전자 전달에 대한 우리의 이해를 테스트하고 인간의 요구를 직접적으로 겨냥할 수 있는 방식으로 광합성을 재설계할 수 있는 수단을 제공합니다. 자연 반응 센터는 산화환원 보조 인자 사슬에서 전자 전달 속도를 조작하여 단방향, 광 활성화 전하 분리를 달성합니다1,2,3. 녹색 식물과 시아노박테리아의 선형 전자 흐름은 화학 에너지에 대한 H2 등가물을 생성하는 전자 공급원인 물에서 시작되며, 그 과정에서 O2를 방출합니다4,5. 산소 광영양생물은 두 개의 반응 센터인 광계 I 및 II(PSI 및 PSII)를 사용하여 물에서 추출된 각 전자에 대해 두 개의 광자를 흡수함으로써 물 산화와 양성자 환원 사이의 넓은 산화환원 범위에 걸쳐 있습니다4,6,7. 원칙적으로, 천연 엽록소 색소에 흡수된 단일 가시 광자는 두 반응에 전력을 공급하기에 충분한 에너지를 갖고 있으며, 이는 전반적인 태양-연료 에너지 변환 효율을 높이는 방향을 제시합니다4,8. 우리의 궁극적인 목표는 열에 대한 에너지 손실을 최소화하면서 물 산화 및 양성자 환원을 지원하는 단일 반응 중심 광합성 시스템을 개발하는 것입니다.

최근 새로운 단백질 디자인의 발전으로 서로의 전자 터널링 거리 내에서 여러 개의 다양한 작은 분자와 금속 이온의 결합이 촉진되었습니다9,10,11,12,13,14,15. 인공 단백질의 태양 에너지 변환에 대한 다음 과제는 광자 에너지를 연료 생산과 같은 화학 반응에 사용할 수 있을 만큼 오랫동안 지속되는 전하 분리 상태로 변환할 수 있는 다단계 전자 전달 사슬을 조립하는 것입니다. 이를 위해 우리는 광합성 반응 센터 단백질 모형(RC 모형)을 설계하고 여러 조립 상태에서 X선 ​​결정 구조를 해결했습니다. RC 모형은 수명이 길고 광 활성화된 전하 분리를 달성하고 자연 반응 센터의 많은 요소를 재현합니다. 즉 PSII의 물 산화 측면을 연상시키는 티로신 및 금속 클러스터 산화뿐만 아니라 Co 포르피린을 포함한 낮은 전위 수용체의 감소도 재현합니다. H216,17로의 양성자 환원에 참여하는 것으로 알려져 있습니다.

자연 광합성 반응 센터는 두 개의 전자 전달 사슬 사이에 광 활성화 색소를 고정시켜 광화학 전하 분리를 달성합니다. 한 사슬은 여기된 색소에 대한 전자 수용체를 제공하고, 다른 사슬은 전하로 분리된 기증자-수용체 쌍을 생성하면서 안료 바닥 상태를 복원하는 전자 기증자를 제공합니다(그림 1a). 변형된 천연 단백질18,19,20,21,22,23,24,25,26 및 가교된 루테늄 트리스비피리딘 유도체15가 있는 새로운 단백질에서 전자 수용 또는 기증 사슬이 개발되었지만 우리의 설계는 확장된 전자 전달 사슬을 응축합니다. DPA27,28로 상징되는 핵심 기본 공여체-색소-수용체 트라이어드에 대한 자연 반응 센터.