Onderzoeksproject
Nanodeeltjes – redox eiwit biohybriden
Kunstmatige fotosynthese heeft als doel om via chemische processen zonne-energie om te zettn in brandstof. Semi-kunstmatige fotosynthese is een hybride aanpak waarbij chemische maar ook biotechnologische processen worden gebruikt. Wij hebben als doel om een hybride systeem te ontwikkelen met behulp van lichtabsorberende nanodeeltjes en redox enzymen (oxidoreductase) voor de katalyse. Hiervoor bestuderen wij de elektronenuitwisseling tussen deze twee componenten. We gebruiken een reeks van biofysische, fotochemische en bioelektrochemische methoden. Onze uiteindelijke visie is een hybride systeem met fotokatalysatoren (de nanodeeltjes) en microbiële biokatalysatoren waarin zonlicht wordt verzameld door de nanodeeltjes en één van de twee elektrochemische half-reacties wordt gekatalyseerd door de microbe.
- Contact
- Lars Jeuken
Het speciale paar (P680) van fotosysteem II in groene planten gebruikt licht-energie om een elektron te exciteren naar een hogere energietoestand. Dit elektron wordt dan overgedragen over een ketting van redox-aktieve co-faktoren om uiteindelijk een quinone te reduceren naar een quinol. Het ‘gat’ dat achterblijft (P680+) wordt gevuld door elektronen uit het ‘oxygen-evolution centre’ (OEC) waar water wordt geoxideerd tot zuurstof. Alhoewel dit één van de meest quantum-efficiënte systemen is die we kennen, is fotosysteem II vatbaar voor foto-oxidatieve beschadigingen die plantgroei kan belemmeren en biotechnologische toepassingen bemoeilijkt.
Ons doel is om -gebruik makend van robuuste nanodeeltjes die minder snel beschadigen dan fotosysteem II- met semi-kunstmatige fotosynthese natuurlijke fotosynthese na te bootsen. Om wel gebruik te maken van de hoge activiteit en specificiteit van natuurlijke processen, koppelen wij de nanodeeltjes aan biokatalysatoren (enzymen) voor de omzetting van licht-energie naar chemische energie. Dit betekent dat elektronen over moeten springen tussen de nanodeeltjes en de biokatalysatoren. Omdat de elektronoverdracht exponentieel langzamer wordt als de afstand vergroot, moeten de nanodeeltjes heel dicht bij de actieve co-factoren van de biokatalysatoren geplaats worden (< 2 nm).
Nanodeeltjes – MtrCAB biohybriden voor microbiële biokatalyse
Biohybride systemen die gehele microbiële cellen gebruiken (bacteriën) hebben als voordeel dat de bacteriën regenereren. Om de complete cel as biokatalysator te gebruiken moeten de elektronen van de nanodeeltjes naar de periplasma en cytoplasma vervoerd worden.
In samenwerking met Prof. Butt van de Universiteit van East Anglia (VK) en Prof. Reisner van de Universiteit van Cambridge (VK), bestuderen we of deze elektron overdracht bereikt kan worden via de ‘metal-reducing pathway’ in Shewanella oneidensis.
Een belangrijk eiwit in de ‘metal-reducing pathway’ is MtrCAB. Dit eiwit zit in de ‘outer’ membraan waar het normaal elektronen van de ademhaling van de periplasma naar buiten vervoert. In dit project bestuderen wij of deze MtrCAB route gekaapt kan worden om fotoelektronen uit te wisselen met S. oneidensis.
Publicaties
van Wonderen, J.H., Adamczyk, K., Wu, X., Jiang, X., Piper, S.E.H., Hall, C.R., Edwards, M.J., Clarke, T.A., Zhang, H., Jeuken, L.J.C., Sazanovich, I.V., Towrie, M., Blumberger, J., Meech, S.R. and Butt, J.N. (2021) Nanosecond heme-to-heme electron transfer rates in a multiheme cytochrome nanowire reported by a spectrally unique His/Met-ligated heme, Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 118, e2107939118. DOI:10.1073/pnas.2107939118
Stikane, A., Hwang, E.T., Ainsworth, E.V., Piper, S., Critchley, K., Butt, J.N., Reisner, E., Jeuken, L.J.C., (2019) Towards compartmentalized photocatalysis: Multiheme proteins as transmembrane molecular electron conduits, Faraday Discussion, 215, 26-38. DOI:10.1039/C8FD00163D
Hwang, E.T., Sheikh, K. Orchard, K.L., Hojo, D, Radu, V., Lee, C.-Y., Ainsworth, E., Lockwood, C., Gross, M.A., Adschiri, T., Reisner, E., Butt, J.N. and Jeuken, L.J.C. (2015) A Decaheme Cytochrome as a Molecular Electron Conduit in Dye-Sensitized Photoanodes, Adv. Funct. Mater. 25, 2308-2315. DOI: 10.1002/adfm.201404541