Escherichia coli (E. coli) je nepochybně jedna z nejrozšířenějších a i laické veřejnosti nejznámějších bakterií. Je přirozeným obyvatelem našich střev, ale některé patogenní kmeny nám dokážou zadělat na zdravotní problémy. Přirozeného ničitele bakterie E. coli, virus M13, který pro nás žádnou hrozbu nepředstavuje, znají snad jenom oborníci. Ti ale nepocházejí jen z různých biologických oborů, patří mezi ně i někteří fyzikové a nanotechnologové. Virus, přesněji bakteriofág (virus infikující bakterii) M13 má zajímavou strukturu, jež umožňuje velmi sofistikovaným způsobem na jeho povrch navázat molekuly různých látek a takto obalené je pak přinutit se případně i uspořádat. Na Oslu jsme o použití virů na netradiční prototypy baterií psali již dvakrát: Virové baterie a Zavírené batérie.
Obě starší práce spojuje jedno jméno – Angela M. Belcherová, bioložka ze známého MITu (Massachusetts Institute of Technology) v Cambridge v americkém státě Massachusetts. Teď se v mediích její jméno skloňuje opět. A znovu v souvislosti s bakteriofágem M13, kterého ve spolupráci s fyziky a nanotechnology použila jako lešení pro uspořádání chemických sloučenin, které pomáhají rozkládat vlivem slunečního světla vodu na kyslík a vodík. Tedy imitují část fotosyntézy – fotolýzu vody. Výsledky tohoto zajímavého (i když je otázkou jestli v praxi využitelného) výzkumu zveřejnil 11. dubna časopis Nature Nanotechnology.
M13 jako lešení pro aktivní látky
Povrch bakteriofágu M13, jenž se podobá dlouhému bio-nanovláknu (asi 6 x 900 nm) tvoří (kromě obou koncových částí) asi 2 700 molekul jediné bílkoviny – proteinu p8. Změnou v genu, který ho kóduje – vložením předem vytvořeného řetězce DNA do jeho sekvence nukleotidů – se pozmění i samotný výsledný produkt – povrchová bílkovina p8, která má pak i jiné vlastnosti. Cestou „hrůzostrašných“ genetických manipulací vědci vytvořili nové typy viru M13 se schopností z prostředí vychytávat specifické organické i neorganické molekuly tak, že se do nich jednoduše zabalí – navážou se na molekuly povrchového proteinu p8. Pro podobnou cílenou změnu se dají využít i čtyři jiné povrchové bílkoviny, které jsou jenom na obou koncích virového vlákna. Ty pak můžou navazovat jiné látky, nebo se pomocí nich celý virus sám ukotví k připravenému podkladu, k molekulám kterého mají pozměněné koncové proteiny afinitu.
Pro fotolýzu vody si devítičlenný tým vedený Angelou Belcherovou zvolil sloučeniny, s kterými se již dříve dělaly podobné pokusy: organický pigment (metaloporfyrin zinku – vysvětlivky pod článkem) jako konvertor sluneční energie a koloidní shluky oxidu iridia (oxid iridičitý IrO2) jako katalyzátor. Pigment, podobně jako chlorofyl, dokáže absorbovat energii fotonů světla a uvolňovat elektrony, které podporují účinnost katalytického rozkladu vody. Při experimentu se molekuly pigmentu navázaly na povrch viru M13, na proteiny p8. Pak se na nich zachytily i shluky molekul oxidu iridia (obrázek).
Aby vědci zajistili stabilitu této kombinované struktury, zabránili shlukování upravených virů a umožnili jejich opětovné využití, uzavřeli je do pórovitých polymerních mikrogelů – drobných kuliček, kterých skelet tvoří různě spletené vlákna inertního nerozpustného polymeru. Výsledné drobné částice, když na ně svítili světlem s vhodnou vlnovou délkou 400 nm, což jsou nejvyšší frekvence viditelného světla odpovídající modré barvě, rozkládaly okolní molekuly vody, ve které plavaly. Takto popsané to vše vypadá hravě jednoduché, ale doplňkové informace přibližující postup, jsou ukázkou receptu z komplikované moderní alchymistické kuchařky.
Celý systém zatím zvládá jenom část úplného rozkladu vody – rozbití její molekuly na plynný kyslík, ale už ne i plynný vodík. Ten z reakce vyvázne rozložený na proton a elektron. Chemik by tuto reakci nazval oxidací vody.
Zdaleka nejde o první laboratorní experiment, při kterém sluneční světlo je zdrojem energie pro katalýzu vody. Existuje více možností s využitím různých látek a o jedné z alternativ jsme již na Oslu psali. Podle tvrzení vědců z MITu, jejich systém je ale 3,5 krát efektivnější, než všechny „konkurenční“. Ale aby byl z ekonomického hlediska využitelný, měl by být asi desetinásobně výkonnější než přírodní fotosyntéza, využívat levnější alternativu pro katalyzátor než je sloučenina vzácného iridia a každá mikrogelová kulička s upravenými viry M13 musí zajistit rozklad minimálně miliardy molekul vody. Celý systém musí nakonec produkovat plynný vodík, být soběstačný a dostatečně dlouhou dobu funkční. I když k tomuto cíli vede dlouhá cesta, Belcherová se netají optimistickou představou, že do dvou let představí první – alespoň laboratorní prototyp, splňující všechny uvedené požadavky.
Porfyriny jsou skupinou dusíkatých, ve vodě rozpustných biologických pigmentů. V kombinaci s proteinem a atomy kovu tvoří různé hemoproteiny – například chlorofyly vyšších rostlin a hemoglobiny v krvi živočichů. Porfyriny absorbují energii fotonů s vlnovou délkou okolo 410 nanometrů
Zdroje: Nature Nanotechnology , Green Car Congress
Diskuze:
