Engineering Ferredoxine für verbesserten Elektronentransfer

Eisen-Schwefel-Clustern findet man in vielen Proteinen von verschiedenen Lebensformen. Eine Art von Protein, die diese Cluster enthält, nennt sich Ferredoxin (Fd). Viele Organismen haben mehrere Versionen dieses Proteins, die eine wichtige Rolle beim Elektronentransfer für verschiedene Prozesse spielen, die Energie liefern. Dazu gehören das Herstellen von Wasserstoff und Alkohol, das Fixieren von Kohlenstoff und Stickstoff sowie die Nutzung von Schwefel.

Man glaubt, dass Ferredoxine eine Schlüsselrolle beim Energietransfer innerhalb der Zellen spielen. Sie helfen, Elektronen zu verschiedenen Teilen chemischer Wege zu bewegen, indem sie mit vielen anderen Proteinen interagieren. Forschungen haben gezeigt, dass diese Proteine unterschiedliche Formen haben können und verschiedene Arten von Eisen-Schwefel-Clustern halten können. Sie können auch unterschiedliche Effektivitätsgrade haben, wenn sie mit anderen Proteinen zusammenarbeiten.

Obwohl wir wissen, dass Ferredoxine entscheidend für das Management des Energieflusses in Zellen sind, bleibt die Kontrolle darüber, wie Elektronen durch verschiedene Wege mit Ferredoxinen bewegt werden, eine Herausforderung.

#Anwendungen in der synthetischen Biologie

Ferredoxine können niederenergetische Elektronen übertragen, was zu ihrer Verwendung in vielen Bereichen der synthetischen Biologie geführt hat. Dazu gehören Dinge wie metabolische Ingenieurwissenschaft, die Herstellung von Produkten mit Licht, die Kontrolle biologischer Prozesse mit Licht, die Herstellung von fluoreszierenden Markern und die Entwicklung von Bioelektronik. Wissenschaftler untersuchen auch Ferredoxine, um Einblicke zu bekommen, wie sie sich im Laufe der Zeit verändert haben.

In Laborstudien haben Forscher kleine Peptide mit Eisen-Schwefel-Clustern erstellt. Diese können an mehreren chemischen Reaktionen teilnehmen. Ausserdem konnten Wissenschaftler Eisen-Schwefel-Bindungsstellen in andere Proteinstrukturen einfügen, sodass sie Eisen-Schwefel-Cluster in Zellen erhalten. Einige Versionen von Ferredoxinen wurden so entwickelt, dass sie alten Formen des Proteins ähneln.

Wenn diese konstruierten Ferredoxine in Bakterien verwendet werden, können sie die Energie bereitstellen, die benötigt wird, um Nährstoffe aufzunehmen. Neue Designs von Ferredoxinen werden erstellt, um zu lernen, wie ihre Struktur ihre Fähigkeit zur Elektrizitätsleitung und ihre Stabilität bei hohen Temperaturen beeinflusst. Darüber hinaus haben Wissenschaftler Ferredoxine modifiziert, um Proteinschalter zu erstellen, die den Elektronentransfer in Zellen für schnelle Sensoranwendungen steuern können.

#Ingenieurwissenschaft der Proteinaktivitäten

Eine Möglichkeit, die Aktivität von Proteinen zu steuern, ist die Verwendung von kleinen Antikörpern, die als Nanobodies (Nbs) bekannt sind und an andere Proteine angeheftet werden können. Diese Technik ermöglicht es Forschern, verschiedene Aktivitäten zu regulieren, wie z. B. Lichtproduktion oder Genexpression, abhängig davon, ob der Nanobody an sein Ziel bindet.

Um zu testen, wie man die Aktivitäten von Ferredoxinen mit Nanobodies regulieren kann, untersuchten die Forscher drei verschiedene Nanobodies, die speziell an ein Protein namens GFP binden. Sie kreierten Konstrukte, in denen diese Nanobodies mit Teilen von Ferredoxin verbunden waren, um zu kontrollieren, wie Ferredoxin Elektronen in Zellen überträgt.

#Experimentelle Details

Die Forscher verwendeten spezifische Chemikalien von verschiedenen Lieferanten, um ihre Experimente mit Bakterien durchzuführen und zu steuern. Sie konstruierten mehrere Plasmide, das sind kreisförmige DNA-Moleküle, die Gene zur Herstellung von Proteinen tragen können. Diese Plasmide enthielten Versionen von Ferredoxinen aus verschiedenen Organismen, um zu untersuchen, wie diese Proteine in unterschiedlichen Kontexten funktionieren.

In ihren Experimenten verwendeten die Forscher verschiedene Bakterienstämme für das Klonen und um zu testen, wie diese konstruierten Proteine funktionierten. Sie überwachten das Wachstum der Bakterien, um festzustellen, ob die konstruierten Proteine deren Überleben unterstützten.

#Wachstumsstudien

Um zu bewerten, wie gut die konstruierten Ferredoxine funktionierten, wurden Bakterien mit verschiedenen Plasmiden transformiert, die diese Proteine exprimierten. Die Forscher massen, wie gut die Bakterien unter selektiven Bedingungen wuchsen, was darauf hindeutet, ob die konstruierten Proteine notwendige Prozesse für das Überleben unterstützten.

Als sie spezifische Induktoren einführten, um die konstruierten Proteine zu aktivieren, beobachteten sie Unterschiede in den Wachstumsraten. Die Kombinationen von Ferredoxinen mit Nanobodies oder GFP wurden getestet, um zu sehen, wie sie die Fähigkeit der Bakterien beeinflussten, Energie zu produzieren.

#Komplementationsresultate

In früheren Studien waren bestimmte Spaltungen von Ferredoxin nicht effektiv beim Elektronentransfer, es sei denn, sie wurden mit Proteinen kombiniert, die halfen, ihre Fragmente zu verbinden. Dies führte zur Idee, zu testen, ob die Nanobody-Interaktionen auf die gleiche Weise helfen könnten.

Sie erstellten Konstrukte mit verschiedenen Ausrichtungen der Ferredoxinfragmente und Nanobodies. Die Ergebnisse zeigten, dass einige Kombinationen von Nanobodies und Ferredoxinfragmente besser funktionierten als andere und das Wachstum der Bakterien signifikant verbesserten.

Darüber hinaus beeinflusste die Ausrichtung der Proteinfusionen, wie gut sie sich ergänzten. Bestimmte Nanobodies trugen mehr zur Verbesserung des Elektronentransfers bei als andere, was die Bedeutung sowohl des spezifischen Nanobodies als auch der Art und Weise, wie die Proteine miteinander verbunden waren, verdeutlichte.

#Linkerlängenstudien

Die Forscher untersuchten auch, wie die Länge der Links zwischen den verschiedenen Teilen der Proteine deren Funktion beeinflusste. Linker sind Aminosäuresequenzen, die verschiedene Protein-Domänen verbinden. Sie testeten sowohl kürzere als auch längere Linker. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass die Länge des Linkers keinen signifikanten Einfluss auf den Erfolg der Fusionsdesigns hatte, was auf eine robuste Interaktion zwischen den Komponenten über verschiedene Grössen hinweg hindeutet.

#Nanobody-Einfügungen

In einer weiteren Reihe von Experimenten fügten die Forscher Nanobodies direkt in die Ferredoxinstruktur ein, um zu sehen, ob dies eine bessere Kontrolle über den Elektronentransfer ermöglichen würde. Verschiedene Nanobodies wurden getestet, um zu sehen, ob sie regulieren konnten, wie gut Ferredoxin beim Elektronentransfer in Anwesenheit eines anderen Proteins, GFP, half.

Die Ergebnisse zeigten, dass das Einfügen bestimmter Nanobodies in Ferredoxin beeinflusste, wie gut es seiner Funktion nachkam. Bei einigen Kombinationen verbesserte die Expression von GFP das Wachstum der Bakterien erheblich, während andere von der Anwesenheit von GFP nicht profitierten.

#Fazit

Diese Forschung zeigt, dass Ferredoxine so konstruiert werden können, dass sie Elektronen basierend auf der Anwesenheit eines anderen Proteins übertragen. Mit der Vielzahl an Nanobodies, die erstellt werden können, könnte dieser Ansatz eine breite Palette von Regelmechanismen ermöglichen und mehrere Wege zur Kontrolle biologischer Prozesse bieten.

Zukünftige Studien könnten untersuchen, wie die Stabilität sowohl von Ferredoxinen als auch von Nanobodies deren Wechselwirkungen beeinflusst. Das Verständnis dieser Eigenschaften könnte zu besseren Designs für die Konstruktion lebender Elektronik oder anderer Anwendungen führen, die schnelle Reaktionen in biologischen Systemen erfordern.

Insgesamt könnten die in dieser Arbeit verwendeten Strategien unsere Fähigkeit verbessern, Proteinfunktionen zu manipulieren und neue Technologien basierend auf lebenden Systemen zu entwickeln.