JP2008539786A - Composite nanomaterials for photocatalytic hydrogen generation and methods for their use - Google Patents

Composite nanomaterials for photocatalytic hydrogen generation and methods for their use Download PDF

Info

Publication number
JP2008539786A
JP2008539786A JP2008512439A JP2008512439A JP2008539786A JP 2008539786 A JP2008539786 A JP 2008539786A JP 2008512439 A JP2008512439 A JP 2008512439A JP 2008512439 A JP2008512439 A JP 2008512439A JP 2008539786 A JP2008539786 A JP 2008539786A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
composite material
protein
hydrogenase
material according
gel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2008512439A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
ダブリュー. ピータース,ジョン
ジェイ. ヤング,マーク
ダグラス,トレバー
イー. エルグレン,ティモシー
Original Assignee
モンタナ ステート ユニバーシティ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by モンタナ ステート ユニバーシティ filed Critical モンタナ ステート ユニバーシティ
Publication of JP2008539786A publication Critical patent/JP2008539786A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N11/00Carrier-bound or immobilised enzymes; Carrier-bound or immobilised microbial cells; Preparation thereof
    • C12N11/14Enzymes or microbial cells immobilised on or in an inorganic carrier
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/0004Oxidoreductases (1.)
    • C12N9/0067Oxidoreductases (1.) acting on hydrogen as donor (1.12)
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P3/00Preparation of elements or inorganic compounds except carbon dioxide

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Enzymes And Modification Thereof (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Immobilizing And Processing Of Enzymes And Microorganisms (AREA)

Abstract

本発明は、1)ポリマーゲル、2)光触媒、および3)タンパク質ベースのH触媒を含んでなる光触媒H生成用複合材料に関する。本発明はまた、電子ドナーを、1)ポリマーゲル、2)光触媒、および3)タンパク質ベースH触媒を含んでなる複合材料と反応させることを含んでなるHを生成させる方法に関する。The present invention relates to a composite material for producing photocatalyst H 2 comprising 1) a polymer gel, 2) a photocatalyst, and 3) a protein-based H 2 catalyst. The present invention also relates to a method for producing H 2 comprising reacting an electron donor with a composite material comprising 1) a polymer gel, 2) a photocatalyst, and 3) a protein-based H 2 catalyst.

Description

関連出願の相互参照
本出願は、全ての目的のためにその全体が本明細書に援用されている、2005年5月16日に出願された米国仮特許出願第60/681,174号明細書に対し米国特許法119条(e)に従って優先権が与えられる。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is a US Provisional Patent Application No. 60 / 681,174 filed May 16, 2005, which is incorporated herein in its entirety for all purposes. Are given priority in accordance with US Patent Act 119 (e).

連邦政府支援の研究または開発に関する陳述
本明細書に開示された発明は、助成金番号MCB−0328341下の全米科学財団および助成金番号19−00−R0006下の海軍研究事務所により、一部、資金が供給された。
STATEMENT REGARDING FEDERALLY SPONSORED RESEARCH OR DEVELOPMENT The invention disclosed herein was in part made by the National Science Foundation under Grant No. MCB-0328341 and the Navy Research Office under Grant No. 19-00-R0006, Funding was provided.

発明の分野
本発明は、ヒドロゲナーゼ酵素および再生可能な供給源からの水素生成用光触媒により水素生成ナノ粒子を含有する複合材料に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to composite materials containing hydrogen producing nanoparticles with hydrogenase enzymes and photocatalysts for hydrogen production from renewable sources.

発明の背景
代替エネルギー源としての水素ガスの生成については、最近、かなりの関心が注がれている。水素燃料電池テクノロジーの増大した使用の実用性は、効率的で経済的に実行可能であり、かつ環境的に問題のない様式で、水素ガスの蓄積を生じさせる能力に依存する(アルモア(Armor)ら、2005年;スピーゲル(Speigel)ら、2004年;ツェン(Tseng)ら、2005年;ウィンター(Winter)ら、2005年)。エネルギーを生み出す適用のために生成される大部分の水素は、メタンまたは化石燃料を改質するプロセスにより発生し、したがって、これらのアプローチに基づく水素エネルギー経済によっては、非再生化石燃料への依存が殆ど減少しない。したがって、供給原料などの再生可能な供給源から効率的に、かつ温室効果ガスまたは他の環境汚染物質を生成させることなく水素ガスを生成できる化学反応用触媒の開発は、極めて重要なことである。
BACKGROUND OF THE INVENTION There has been considerable interest recently in the production of hydrogen gas as an alternative energy source. The utility of increased use of hydrogen fuel cell technology depends on its ability to cause hydrogen gas accumulation in an efficient, economically viable and environmentally unfriendly manner (Armor) 2005; Spiegel et al., 2004; Tseng et al., 2005; Winter et al., 2005). Most of the hydrogen produced for energy-producing applications is generated by processes that reform methane or fossil fuels, and therefore, depending on the hydrogen energy economy based on these approaches, dependence on non-renewed fossil fuels Almost no decrease. Therefore, the development of a catalyst for chemical reaction that can generate hydrogen gas from renewable sources such as feedstocks efficiently and without generating greenhouse gases or other environmental pollutants is extremely important. .

ヒドロゲナーゼ類は、合成化学者の羨望となる速度で水素ガスを発生させる高度に展開された触媒である。金属含有ヒドロゲナーゼ類(Hアーゼ類)(ビグネイズ(Vignais)ら、2001年;ピーターズ(Peters)ら、1998年、1999年;アダムス(Adams)ら、1990年)は、以下の式:

Figure 2008539786
に従って水素酸化またはプロトン還元のいずれかにおいて機能する種々の微生物により産生される。 Hydrogenases are highly developed catalysts that generate hydrogen gas at a rate that is envy of synthetic chemists. Metal-containing hydrogenase such (H 2 ase acids) (Biguneizu (Vignais) et al., 2001; Peters (Peters) et al., 1998, 1999; Adams (Adams) et al., 1990) has the following formula:
Figure 2008539786
Produced by various microorganisms that function in either hydrogen oxidation or proton reduction.

水素酸化は、エネルギー生成または生合成過程を引き起こす還元等価物の生成に連結する。嫌気性発酵中に、幾つかの微生物は、糖酸化によるプロトン還元および水素ガスの生成に必要な電子担体の酸化と再生とを連結できる。大抵の金属含有ヒドロゲナーゼの触媒部位は、一酸化炭素の二原子リガンドおよびFeに対するシアニドを有するジ−Feまたはヘテロ金属NiFe部位からなる。ヒドロゲナーゼ類は、酵素の活性状態の一体部分として、通常は毒性のこれらの化合物を利用する唯一の既知酵素である。一般の酵素と同様にヒドロゲナーゼ類は、基質アクセスおよび生成物除去に関する経路が、重要な「デザイン」の特徴である活性部位を配置し、化学的に保つタンパク質構造を利用する正確な組織モチーフを示すために構築される。基質、還元体、および生成物は、触媒部位へ、および触媒部位からアクセスしなければならない。さらに、触媒の連続循環には、進行中の反応物添加および生成物の除去を必要とする。ヒドロゲナーゼ酵素の触媒部位は、一酸化炭素リガンドおよびシアニドリガンドを有するユニークな生物学的金属クラスター(FeまたはNiFe)からなる(ピーターズ(Peters)ら、1998年;ハッペ(Happe)ら、1997年;ニコレット(Nicolet)ら、2000年;ピエリク(Pierik)ら、1998年;ボルベダ(Volbeda)ら、1995年)。   Hydrogen oxidation is linked to the production of reducing equivalents that cause energy generation or biosynthetic processes. During anaerobic fermentation, some microorganisms can link the proton reduction by sugar oxidation and the oxidation and regeneration of the electron carrier necessary for the production of hydrogen gas. The catalytic site of most metal-containing hydrogenases consists of a di-Fe or heterometallic NiFe site with a diatomic ligand of carbon monoxide and a cyanide for Fe. Hydrogenases are the only known enzymes that utilize these normally toxic compounds as an integral part of the active state of the enzyme. Similar to common enzymes, hydrogenases display precise tissue motifs that utilize protein structures that place and chemically maintain active sites where pathways for substrate access and product removal are important “design” features. Built for. Substrates, reductants, and products must be accessible to and from the catalytic site. Furthermore, continuous circulation of the catalyst requires ongoing reactant addition and product removal. The catalytic site of the hydrogenase enzyme consists of a unique biological metal cluster (Fe or NiFe) with carbon monoxide and cyanide ligands (Peters et al., 1998; Happe et al., 1997; Nicolet et al., 2000; Pierik et al., 1998; Volbeda et al., 1995).

水素の生物学的生成は、新興の水素経済に重要な役割を果たす可能性が高い(バルフォロメイエフ(Varfolomeyev)ら、2004年;ウンシアース(Wunschiers)ら、2002年;チャム(Chum)ら、2001年)。種々の適用のための材料の中で酵素触媒の利用に対する関心が増大している。適用における酵素利用の文脈において、対処されることが一般に必要な幾つかの考慮事項がある。基質、還元体、および生成物は、触媒部位へ、および触媒部位からアクセスしなければならない。さらに、触媒の連続循環には、進行中の反応物添加および生成物の除去を必要とする。1酵素1秒当り9000Hまでの速度が、これらの酵素から観察されたが(アダムス(Adams)ら、1990年;カマック(Cammack)ら、1999年)、酸素に対するこれら酵素の極度感受性、発現の限定、および単離の困難さにより、水素生成の実用的な手段としてそれらの使用を妨げている。 Biological production of hydrogen is likely to play an important role in the emerging hydrogen economy (Varforomeyev et al., 2004; Wunschiers et al., 2002; Chum et al., 2001). There is an increasing interest in the use of enzyme catalysts among materials for various applications. In the context of enzyme utilization in applications, there are some considerations that generally need to be addressed. Substrates, reductants, and products must be accessible to and from the catalytic site. Furthermore, continuous circulation of the catalyst requires ongoing reactant addition and product removal. Although rates up to 9000 H 2 per second per enzyme were observed from these enzymes (Adams et al., 1990; Camack et al., 1999), the extreme sensitivity of these enzymes to oxygen, the expression of Limitations and difficulty of isolation prevent their use as a practical means of hydrogen production.

ヒドロゲナーゼ酵素を用いて、商業スケールで水素を発生させる方法およびシステムを開発する試みが不十分である。米国特許第6,858,718号明細書は、ヒドロゲナーゼをコードする遺伝子および分子状水素の微生物的産生のために遺伝子産物を用いる方法を開示している。より具体的には、該発明は、分子状水素を形成するために、プロトンの還元を触媒する安定なヒドロゲナーゼ酵素(HydA)をコードする単離核酸配列を開示している。   There are insufficient attempts to develop methods and systems for generating hydrogen on a commercial scale using hydrogenase enzymes. US Pat. No. 6,858,718 discloses a gene encoding a hydrogenase and a method of using the gene product for the microbial production of molecular hydrogen. More specifically, the invention discloses an isolated nucleic acid sequence encoding a stable hydrogenase enzyme (HydA) that catalyzes the reduction of protons to form molecular hydrogen.

米国特許第4,532,210号明細書は、交互の明暗サイクルを用いた藻類培養において水素の生物学的産生を開示している。該プロセスは、藻類中に光合成産物(澱粉)を蓄積させるために、光存在下、好気性条件下で水中の藻類を培養するステップ、および水素を発生させるために、暗所で好気性微生物条件下、水中で藻類を培養し、光合成による蓄積物質を分解させる交互のステップを含んでなる。この方法では、培養物から酸素を除去するために窒素ガスパージ技法を用いる。   U.S. Pat. No. 4,532,210 discloses the biological production of hydrogen in algal culture using alternating light-dark cycles. The process comprises culturing algae in water under aerobic conditions in the presence of light to accumulate photosynthetic products (starch) in the algae, and aerobic microbial conditions in the dark to generate hydrogen. Below, it comprises alternating steps of culturing algae in water and degrading the accumulated substances by photosynthesis. This method uses a nitrogen gas purge technique to remove oxygen from the culture.

米国特許第4,442,211号明細書は、好気性雰囲気下の培養培地中、第一期の照射時に脱色された藻類を着色が回復するまで培養し、次いで、高められた速度で水素が生成される第二期の照射にこの藻類を供することにより水相中の藻類を光照射に供することによる水素を発生させるプロセスの効率が高まることを開示している。実質的にCOおよび大気Oの無い環境下で光を培養物に照射させる反応セルを用いる。水性媒体中、水分子の分割により発生した水素および酸素の全てを除去するためにセルに不活性ガス(例えば、ヘリウム)を通すことによって、この環境が維持される。H−生成培養物の不活性ガスによる連続パージングにより、Hの持続的生成が可能になったが、このようなパージングは高価であり、藻類の大規模大量培養にとって実用的ではない。 U.S. Pat. No. 4,442,211 cultivates algae decolorized during the first stage of irradiation in a culture medium under an aerobic atmosphere until the color is restored, and then hydrogen is added at an increased rate. It is disclosed that subjecting the algae to the generated second stage irradiation increases the efficiency of the process of generating hydrogen by subjecting the algae in the aqueous phase to light irradiation. A reaction cell is used that irradiates the culture with light in an environment substantially free of CO 2 and atmospheric O 2 . This environment is maintained by passing an inert gas (eg, helium) through the cell to remove all of the hydrogen and oxygen generated by the splitting of water molecules in the aqueous medium. H 2 - Continuous purging with an inert gas product culture has allowed sustained production of H 2, such purging is expensive, impractical for large mass culture of algae.

したがって、本発明は、酵素的H形成、光触媒ナノ材料、および電子/光−クロムポリマーゲルテクノロジーという異なる分野からの知識を組み合わせることによって達成された商業規模で水素を生成させるという長年にわたって感じられてきた必要性を満足させるものである。 Accordingly, the present invention is enzymatic H 2 formation, photocatalytic nanomaterials, and electronic / optical - felt over the years that a commercial scale was achieved by combining knowledge from different fields of chrome polymer gel technology to produce hydrogen It satisfies the need that has been made.

発明の概要
本発明は、簡単な原材料など、再生可能な供給源から水素を生成させる複合材料および方法に関する。一態様において、本発明は、1)ポリマーゲル、2)光触媒、および3)タンパク質ベースのH触媒を含んでなる光触媒H生成用複合材料に関する。該H触媒は、限定はしないが、クロストリジウム・パスツリアナム(Clostridium pasteurianum)、ランプロバクター・モデストガロフィラス(Lamprobacter modestogalophilus)、チオカプサ・ロセオペルシチナ(Thiocapsa roseopersicina)、またはそれらの組合せを含む微生物など、種々の生物に由来し得るヒドロゲナーゼ酵素などの酵素であり得る。この複合材料には、ポリビオロゲンなどのレドックス媒介物、およびCu(0)などの脱酸素剤をさらに含むことができる。光触媒は、ナノ粒子として製剤化でき、タンパク質ケージ構造内にカプセル化できる。
The present invention relates to composite materials and methods for generating hydrogen from renewable sources, such as simple raw materials. In one aspect, the present invention relates to a photocatalytic H 2 generating composite material comprising 1) a polymer gel, 2) a photocatalyst, and 3) a protein-based H 2 catalyst. The H 2 catalyst includes, but is not limited to, Clostridium pasteurianum, Lamprobacter modegalophilus, various microorganisms such as Thiocapsa rosepericina, Thiocapsosain, It may be an enzyme such as a hydrogenase enzyme that may be derived from an organism. The composite material can further include a redox mediator such as polyviologen, and an oxygen scavenger such as Cu (0). The photocatalyst can be formulated as nanoparticles and encapsulated within a protein cage structure.

触媒はまた、シェルおよびコアを含んでなるタンパク質ケージの形態におけるヒドロゲナーゼ模倣物などの人工酵素であり得る。タンパク質ケージのシェルは、該タンパク質が小型熱ショックタンパク質(HSp)などの24のサブユニットタンパク質であるタンパク質を含むことができる。タンパク質ケージのコアは、白金、ニッケル、鉄、およびコバルトからなる群から選択される金属を含むことができる。 The H 2 catalyst can also be an artificial enzyme such as a hydrogenase mimic in the form of a protein cage comprising a shell and a core. The shell of the protein cage can include a protein where the protein is a 24 subunit protein such as a small heat shock protein (HSp). The core of the protein cage can include a metal selected from the group consisting of platinum, nickel, iron, and cobalt.

本発明はまた、本発明の複合材料を用いてHを生成させる方法に関する。例えば、本発明は、電子ドナーを、1)ポリマーゲル、2)光触媒、および3)タンパク質ベースのH触媒を含んでなる複合材料と反応させることを含んでなるHを生成させる方法に関する。電子ドナーは、限定はしないが、酢酸、クエン酸、酒石酸、エタノール、EDTA、ヒドロキシルアミン、およびそれらの混合物などの種々の供給源から得ることができる。電子ドナーはまた、スルファイト、チオスルフェート、およびジチオナイトであり得る。 The present invention also relates to a method for producing H 2 using the composite material of the present invention. For example, the present invention, the electron donating, 1) Polymer gel, 2) a photocatalyst, and 3) relates to a method for generating and H 2 comprising reacting a composite material comprising a protein-based H 2 catalyst. The electron donor can be obtained from a variety of sources such as but not limited to acetic acid, citric acid, tartaric acid, ethanol, EDTA, hydroxylamine, and mixtures thereof. The electron donor can also be sulfite, thiosulfate, and dithionite.

発明の詳細な説明
各々個々の刊行物または特許出願が具体的かつ個々に参照として援用されているかのように、本明細書中の全ての刊行物および特許出願は同程度に参照として援用されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION All publications and patent applications in this specification are incorporated by reference to the same extent as if each individual publication or patent application was specifically and individually incorporated by reference. Yes.

以下の説明は、本発明を理解する上で有用となり得る情報を含む。本明細書に提供されたいずれの情報も、先行技術であることまたは本発明により権利請求された発明に関連していることを認めるものではなく、具体的または暗に引用されたいずれの刊行物も先行技術であることを認めるものではない。   The following description includes information that may be useful in understanding the present invention. None of the information provided herein is admitted to be prior art or related to the invention claimed by the present invention, either specifically or implicitly cited publications. Is not an admission that it is prior art.

特に定義されない限り、本明細書に用いられる全ての技術用語および科学用語は、本発明が属する分野の当業者により一般に理解されているものと同じ意味を有する。本明細書に記載されたものと同様の、または等価な任意の方法および材料を、本発明の実施または試験に使用できるが、好ましい方法および材料が記載されている。   Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Although any methods and materials similar or equivalent to those described herein can be used in the practice or testing of the present invention, the preferred methods and materials are described.

本発明は、酵素的H形成、光触媒ナノ材料、および電子/光−クロムポリマーゲルテクノロジーに関する。本発明は、Hが、極めて単純な原材料、すなわち可視光および単純な有機酸(アセテート−食酢)から生成できる、効率性を実質的に高めるシステムを提供する。一態様において、本発明者らは、単純な有機酸、可視光、および光触媒を用いて、ヒドロゲナーゼ酵素活性を惹起し、Hを生成させるのに十分な還元等価体を生成できることを立証した。これらの結果を最適化するために、ヒドロゲナーゼ酵素を固定化し、ポリマーゲルマトリックスにカプセル化し、Hを生成させるために、生じた酵素ゲルペレットを、ジチオナイトなどの電子ドナーおよびメチルビオロゲンなどの電子移動媒介物と共にインキュベートする。このアプローチは、ヒドロゲナーゼ酵素の効率性および特異性、ならびにポリマー製剤化になされる合成調節を利用して、経済的な水素ガス生成の多くの標的および目的に合致する堅固な複合材料を構築する。 The present invention, enzymatic H 2 formation, photocatalytic nanomaterials, and electronic / optical - about chrome polymer gel technology. The present invention provides a system that substantially increases efficiency, where H 2 can be generated from very simple raw materials, ie, visible light and a simple organic acid (acetate-vinegar). In one aspect, the present inventors have found that a simple organic acid, using a visible light, and the photocatalyst, elicited hydrogenase enzyme activity was demonstrated to be able to produce enough reducing equivalents to generate the H 2. To optimize these results, to immobilize the hydrogenase enzyme, encapsulate it in a polymer gel matrix, and generate H 2 , the resulting enzyme gel pellet is transferred to an electron donor such as dithionite and an electron transfer such as methyl viologen. Incubate with vehicle. This approach takes advantage of the efficiency and specificity of the hydrogenase enzyme and the synthetic regulation that is made into polymer formulation to build a robust composite that meets many targets and objectives of economical hydrogen gas production.

別の態様において、本発明は、水素ガスを生成させるためにヒドロゲナーゼ模倣物としての新規なタンパク質ケージまたはナノ粒子の使用に関する。タンパク質「シェル」および「コア」の双方を含んでなるナノ粒子は、一緒に混合して完全なナノ粒子またはコア混合物の新規な組成物を形成できる。さらに、該シェルは、有機、無機および金属有機材料、それらの混合物を含む、任意の数の種々の材料を有する完全ナノ粒子を形成するために装填できる。特に好ましい実施形態は、白金などの金属触媒を利用してプロトンの効率的な還元を可能にする。さらに、該シェルはタンパク質様であるので、それらを変化させて、限定はしないが、共有結合および非共有結合誘導化ならびに組換え法など、種々の方法により任意の数の物理的または化学的性質を変化させることができる。   In another aspect, the present invention relates to the use of novel protein cages or nanoparticles as hydrogenase mimics to generate hydrogen gas. Nanoparticles comprising both a protein “shell” and a “core” can be mixed together to form a novel composition of a complete nanoparticle or core mixture. Furthermore, the shell can be loaded to form full nanoparticles with any number of different materials, including organic, inorganic and metal organic materials, mixtures thereof. Particularly preferred embodiments utilize a metal catalyst such as platinum to allow efficient reduction of protons. Furthermore, because the shells are proteinaceous, they can be altered to vary any number of physical or chemical properties by various methods, including but not limited to covalent and non-covalent derivatization and recombinant methods. Can be changed.

通常、化学反応に使用される金属触媒の1つは白金である。しかしながら、白金は、その高コストおよび限定された供給量が知られている。この触媒の利用を最大化するため、経済的に実行可能な触媒を開発するために、1原子当りのPtの触媒効率を最大にすることをベースにした方法を探索することが必要である(スピーゲル(Spiegel)ら、2004年)。Pt触媒の開発を目指した粒子ベースのアプローチにおいて、粒子の直径を最小化し、したがって表面積(すなわち、1粒子当りの曝露Pt原子数)を増加させることが必要である。多数の異なる合成アプローチが、種々の不動態化層を有する白金ナノ粒子を合成するために使用されている(ブルッガー(Brugger)ら、1981年;チェン(Chen)ら、2000年;チェン(Chen)ら、1999年;エクルンド(Eklund)ら、2004年;ゴメズ(Gomez)ら、2001年;チアン(Jiang)ら;2004年;ケラー(Keller)ら、1980年;ナラヤナン(Narayanan)ら、2004年;ソン(Song)ら、2004年;テラニシ(Teranishi)ら、2000年;ツー(Tu)ら、2000年;ザオ(Zhao)ら、2002年)。不動態化層は一般に、曝露されたPt原子を妨害し、効率性を低下させる(ブルッガー(Brugger)ら、1981年)。本発明において、本発明者らは、不動態化層とは異なり、ナノ粒子の全表面をコーティングするわけではないが、それでも溶液中の粒子を単離し、凝集を防ぐ合成プラットフォームとしてのタンパク質ケージを使用した。   Usually, one of the metal catalysts used for chemical reactions is platinum. However, platinum is known for its high cost and limited supply. In order to maximize the utilization of this catalyst, it is necessary to explore a method based on maximizing the catalytic efficiency of Pt per atom in order to develop an economically viable catalyst ( Spiegel et al., 2004). In particle-based approaches aimed at developing Pt catalysts, it is necessary to minimize particle diameter and thus increase the surface area (ie, the number of exposed Pt atoms per particle). A number of different synthetic approaches have been used to synthesize platinum nanoparticles with various passivating layers (Brugger et al., 1981; Chen et al., 2000; Chen). 1999; Eklund et al., 2004; Gomez et al., 2001; Jiang et al .; 2004; Keller et al., 1980; Narayanan et al., 2004; Song et al., 2004; Teranishi et al., 2000; Tu et al., 2000; Zhao et al., 2002). Passivation layers generally interfere with exposed Pt atoms and reduce efficiency (Brugger et al., 1981). In the present invention, unlike the passivating layer, we do not coat the entire surface of the nanoparticles, but we still have a protein cage as a synthetic platform that isolates particles in solution and prevents aggregation. used.

タンパク質ケージ構造は、タンパク質と金属との間に界面を創製するバイオテンプレートとして使用されている(アレン(Allen)ら、2003年;フレニケン(Flenniken)ら、2003年)。ケージ様構造は、有機材料および無機材料双方のカプセル化用分子容器として作用することが以前に示されている(フレニケン(Flenniken)ら、2003年;マクミラン(McMillan)ら、2002年)。タンパク質ケージ構造は、内面および外面が化学的に異なる十分に規定された容器様形態を創製するために、限定数のタンパク質サブユニットから自己組織化される(ダグラス(Douglas)およびヤング(Young)、1998年;フレニケン(Flenniken)ら、2003年)。また、内部への分子アクセスは、サブユニット界面でポアにより制御できる(キム(Kim)ら、1998年)。プロトンケージ構造は、ナノ材料合成のためにサイズおよび形状が制約された反応環境として利用できることを、本発明者らは以前に示している。(ダグラス(Douglas)およびヤング(Young)、1998年;ウッセルマン(Usselman)ら、2005年;アレン(Allen)ら、2002年、2003年;フレニケン(Flenniken)ら、2003年)。これらのケージは、規定されたサイズおよび結晶形態で無機ナノ粒子を安定化させることが示されている。さらに、遺伝子修飾および化学修飾により、活性部位を、ケージ構造内の正確な位置に創製して劇的に新たな機能性を創製できる(クレム(Klem)ら、2005年)。   Protein cage structures have been used as biotemplates to create an interface between protein and metal (Allen et al., 2003; Flenniken et al., 2003). Cage-like structures have previously been shown to act as molecular containers for the encapsulation of both organic and inorganic materials (Flenniken et al., 2003; McMillan et al., 2002). The protein cage structure is self-assembled from a limited number of protein subunits (Douglas and Young) to create well-defined container-like forms that are chemically distinct on the inner and outer surfaces. 1998; Flenniken et al., 2003). Molecular access to the interior can also be controlled by pores at the subunit interface (Kim et al., 1998). We have previously shown that a proton cage structure can be used as a reaction environment that is constrained in size and shape for nanomaterial synthesis. (Douglas and Young, 1998; Usselman et al., 2005; Allen et al., 2002, 2003; Flenniken et al., 2003). These cages have been shown to stabilize inorganic nanoparticles in a defined size and crystalline form. In addition, genetic and chemical modifications can create active sites at the exact location within the cage structure to create dramatically new functionality (Klem et al., 2005).

空間的に選択的なミネラル化のためにケージ内部を用いて、本出願の発明者らは、Hアーゼに示された活性部位への制御された分子アクセスを模倣するタンパク質ケージ構造を首尾よく構築した。簡潔に言うと、ヒドロゲナーゼを含有するキセロゲルおよびヒドロゲルを、出発原料にテトラメトキシシラン(TMOS)を用いて調製した。TMOSと水とHClとの音波処理により、テトラヒドロキシシランを生成する。緩衝(pH8.0)タンパク質溶液(1:1 v:v)の添加により、Si−O−Siネットワークを形成する縮合を開始する。ゾルゲルペレットは、テフロン(Teflon)ウェル中のこの混合から、または反応バイアル中に直接注型された。ゲルを、嫌気性緩衝液で繰り返しリンスして非カプセル化タンパク質を除去した。全てのHアーゼ:ゾルゲルサンプルを、嫌気性条件下で調製した。水素生成は、先に記載されたように密封嫌気性バイアル中に含まれた緩衝液に懸濁されたゲルに、メチルビオロゲンおよびジチオナイトを添加することにより開始された。これらの反応バイアルのヘッドスペースからサンプル採取し、生成した水素の定量化のためにガスクロマトグラフィにより分析した。本発明の種々の態様は、下記にさらに提供される。 Using internal cage for spatially selective mineralization, the inventors of the present application successfully protein cage structure that mimics the controlled molecular access to the indicated active sites in H 2 ase It was constructed. Briefly, xerogels and hydrogels containing hydrogenases were prepared using tetramethoxysilane (TMOS) as the starting material. Tetrahydroxysilane is produced by sonication of TMOS, water and HCl. The addition of a buffered (pH 8.0) protein solution (1: 1 v: v) initiates condensation to form a Si—O—Si network. The sol-gel pellets were cast from this mix in Teflon wells or directly into reaction vials. The gel was rinsed repeatedly with anaerobic buffer to remove unencapsulated protein. All H 2 ase: sol-gel samples were prepared under anaerobic conditions. Hydrogen production was initiated by adding methyl viologen and dithionite to a gel suspended in a buffer contained in a sealed anaerobic vial as previously described. Samples were taken from the headspace of these reaction vials and analyzed by gas chromatography for quantification of the hydrogen produced. Various aspects of the invention are further provided below.

材料の耐久性
クロストリジウム・パスツリアナム(Clostridium pasteurianum)に由来の精製ヒドロゲナーゼは、Hを形成するためにHの還元にとって非常に効率的な触媒である。この酵素の長期安定性は、タンパク質の外面への薄いポリマーコーティングの付加によるか、または高分子電解質の多層中のカプセル化によるタンパク質の修飾により有意に増強される。さらに、該酵素は、電子移動効率を高めるために3−D交差結合ポリビオロゲンゲルマトリックス内に固定化される。
Material durability Purified hydrogenase from Clostridium pasteurianum is a very efficient catalyst for the reduction of H + to form H 2 . The long-term stability of this enzyme is significantly enhanced by the addition of a thin polymer coating to the outer surface of the protein or by modification of the protein by encapsulation in a polyelectrolyte multilayer. In addition, the enzyme is immobilized within a 3-D cross-linked polyviologen gel matrix to increase electron transfer efficiency.

材料の工作
ナノ粒子の組成物および形態を調節する能力、したがってナノ材料の光触媒特性を調整する能力は、ヒドロゲナーゼ系への効率的な電子移動のためにナノ粒子を最適化する目的で開発された。さらに、この合成調節は、安価で単純な有機酸(アセテート、タルトレート、シトレート)など、容易に入手できる電子ドナーを利用する。さらに、電気活性ポリビオロゲンゲルの製剤における専門的技術により、電子ドナーと活性ヒドロゲナーゼ触媒との間の電子移動効率は、これら2つの成分間の化学量論的および空間の相互関係の調節により高められ、最適化され、本発明者らがナノ粒子光触媒およびヒドロゲナーゼを固体マトリックス内に取り込ませることを可能にする。
Materials engineering The ability to adjust the composition and morphology of nanoparticles, and thus the photocatalytic properties of nanomaterials, was developed with the goal of optimizing nanoparticles for efficient electron transfer to the hydrogenase system. . Furthermore, this synthesis control utilizes readily available electron donors such as cheap and simple organic acids (acetates, tartrate, citrate). Furthermore, due to expertise in the formulation of electroactive polyviologen gels, the efficiency of electron transfer between the electron donor and the active hydrogenase catalyst is enhanced by adjusting the stoichiometric and spatial interrelationship between these two components. Optimized to allow the inventors to incorporate the nanoparticle photocatalyst and hydrogenase into the solid matrix.

効率
太陽光からの効率的なH生成は、光量を調節することにより、およびヒドロゲナーゼの機能として生成されたH量、光触媒、レドックス媒介物、および電子ドナーを直接分析することにより達成される。太陽スペクトルを模倣するXeアークランプは、これら試験に対する光源として利用した。
Efficiency Efficient H 2 production from sunlight is achieved by adjusting light intensity and by directly analyzing the amount of H 2 produced as a function of hydrogenase, photocatalysts, redox mediators, and electron donors. . A Xe arc lamp that mimics the solar spectrum was used as the light source for these tests.

生成速度
水素生成速度は、先に記載されたとおり、酵素的アッセイにおいて直接測定できる。Hの速度は、レドックスパートナーの質量移動を、実施例に詳細に記載される複合材料の製剤において最少にする条件下で測定される。
H 2 Production Rate The hydrogen production rate can be measured directly in an enzymatic assay, as previously described. The rate of H 2 is measured under conditions that minimize the mass transfer of the redox partner in the composite formulation described in detail in the Examples.

ヒドロゲナーゼおよびO阻害
ヒドロゲナーゼの電気活性ポリマーゲルへの取込みにより、コア−シェル構造を有する材料の創製を可能にする。外層は、光触媒、レドックス媒介物(ビオロゲン)および触媒の光分解により生成されたO反応性Cuコロイドを取り込むことができる。Cuは、脱O剤として通常使用され、シェルの高い表面積は、この目的のために極めて魅力的なものとなる。したがって、外層は、内層内に存在するヒドロゲナーゼを保護するためのO洗浄層として作用できる。内層は、光触媒、ヒドロゲナーゼ、レドックス媒介物、および電子ドナーを含むことができる。この操作法により、Oに対するヒドロゲナーゼの総合的安定性を有意に増強できる。
Hydrogenase and O 2 inhibition Incorporation of hydrogenase into an electroactive polymer gel allows the creation of materials with a core-shell structure. The outer layer can incorporate photocatalysts, redox mediators (viologens) and O 2 reactive Cu colloids generated by photolysis of the catalyst. Cu is commonly used as a de-O 2 agent and the high surface area of the shell becomes very attractive for this purpose. Thus, the outer layer can act as an O 2 cleaning layer to protect the hydrogenase present in the inner layer. The inner layer can include a photocatalyst, hydrogenase, redox mediator, and electron donor. This procedure can significantly enhance the overall stability of the hydrogenase against O 2 .

種々の酵素は、酸化シリカゲルマトリックス(ゾルゲル)に固定化でき、完全に活性な状態のままにできることが先に立証されている。実際、多くの場合、酵素安定性およびある一定の酵素の長期安定性または半減期が増大する。酵素カプセル化能力は、基礎的科学および生物工学適用の双方において非常に有望性がある。幾つかの場合、酵素の固定化により、溶液中で極めて短い寿命である中間体の安定化を延長できる。バイオテクノロジーでは、カプセル化によって、可能性のある産業適用のための耐久性のある不均一触媒の生成をもたらすことができる。   It has been previously demonstrated that various enzymes can be immobilized on oxidized silica gel matrix (sol gel) and remain fully active. Indeed, in many cases, enzyme stability and the long-term stability or half-life of certain enzymes are increased. Enzyme encapsulation capabilities are very promising in both basic scientific and biotechnological applications. In some cases, immobilization of the enzyme can extend the stabilization of the intermediate, which has a very short lifetime in solution. In biotechnology, encapsulation can result in the production of durable heterogeneous catalysts for potential industrial applications.

テトラメチルオルトシリケート誘導ゾルゲル中での精製された活性ヒドロゲナーゼのカプセル化を立証した。これらの酵素がこれら多孔性酸化シリカポリマーゲルに埋設されている場合、水素酸化およびプロトン還元双方の総合的にヒドロゲナーゼ活性の高いパーセンテージで保持されていることを、本発明者らは示した。クロストリジウム・パスツリアナム(Clostridium pasteurianum)、ランプロバクター・モデストガロフィラス(Lamprobacter modestogalophilus)、およびチオカプサ・ロセオペルシチナ(Thiocapsa roseopersicina)に由来のカプセル化ヒドロゲナーゼ類の活性は、水素発生反応で測定された溶液中での酵素活性の少なくとも65〜70%の見かけ上の活性を有して固定化できる。カプセル化ヒドロゲナーゼは、保存および温度上昇下、いくらかの安定性増強を示す。L.モデストガロフィラス(L.modestogalophilus)由来の固定化NiFeヒドロゲナーゼは、窒素雰囲気下、室温で保存された場合に10日間にわたりその水素生成活性の85%を保持する。しかしながら、ヒドロゲナーゼ酵素は活性形態で固定化できるという結果は、不均一触媒により固相水素生成材料においてヒドロゲナーゼ類を利用する実用性に取り組む際の主要ステップとなる。   Encapsulation of purified active hydrogenase in tetramethylorthosilicate-derived sol-gel was demonstrated. The inventors have shown that when these enzymes are embedded in these porous oxidized silica polymer gels, a high percentage of both hydrogen oxidation and proton reduction overall hydrogenase activity is retained. Encapsulated in a reaction in the hydrogenated reaction from Clostridium pasteurianum, Lamprobacter modegalophilus, and Thiocapsa rosesepersicina hydrogenase in the reaction of thiocapsa rosesepersicina It can be immobilized with an apparent activity of at least 65-70% of the enzyme activity. Encapsulated hydrogenase exhibits some stability enhancement under storage and elevated temperatures. L. Immobilized NiFe hydrogenase from Modetogalophilus retains 85% of its hydrogen production activity over 10 days when stored at room temperature under a nitrogen atmosphere. However, the result that the hydrogenase enzyme can be immobilized in an active form is a major step in addressing the utility of utilizing hydrogenases in solid phase hydrogen generating materials with heterogeneous catalysis.

生成材料
ヒドロゲナーゼの安定性
電気活性ポリマーゲルマトリックスにおける水素生成酵素の固定化
本発明は、ヒドロゲナーゼ分子をカプセル化するために種々の合成ポリマー類を用いることからなる固定化ヒドロゲナーゼシステムを提供する。種々の方法のカプセル化により、酵素安定性の増大がもたらされる。ヒドロゲナーゼ酵素が埋設されるポリマーマトリックスの最適化に関する他の因子は、1)種々の電子移動剤/媒介物によりポリマー類をドープする能力および2)基質および反応生成物へのポリマーの浸透性である。以下の水素生成酵素が首尾よくカプセル化された:1)Feだけのヒドロゲナーゼ、2)NiFeの二方向性ヒドロゲナーゼ、および3)アルカリホスファターゼ(水素生成に連結されたホスフェートの酸化)。これら多孔性ポリマー類内の固定化により、ハイスループット不均一性触媒が可能になる。
H 2 Immobilization of hydrogen producing enzyme in stability electroactive polymer gel matrix generating material hydrogenase present invention provides an immobilized hydrogenase recombinase system consists of using a variety of synthetic polymers to encapsulate the hydrogenase molecules. Various methods of encapsulation result in increased enzyme stability. Other factors related to the optimization of the polymer matrix in which the hydrogenase enzyme is embedded are 1) the ability to dope polymers with various electron transfer agents / mediators, and 2) the permeability of the polymer to substrates and reaction products. . The following hydrogen producing enzymes were successfully encapsulated: 1) Fe-only hydrogenase, 2) NiFe bidirectional hydrogenase, and 3) Alkaline phosphatase (phosphate oxidation linked to hydrogen production). Immobilization within these porous polymers allows for high throughput heterogeneous catalysts.

固定化触媒システムにより、化学的手段または電気的手段により得られる還元の可能性が与えられる。電子移動剤/媒介物(合成化学源または生物源から)による三次元触媒のドーピングにより、還元力の外部源が三次元固定化触媒システムの表面に適用できる。   An immobilized catalyst system provides the possibility of reduction obtained by chemical or electrical means. By doping the three-dimensional catalyst with an electron transfer agent / mediator (from a synthetic chemical source or biological source), an external source of reducing power can be applied to the surface of the three-dimensional immobilized catalyst system.

調節ヒドロゲナーゼの異種発現
本発明は、宿主細胞において異種ヒドロゲナーゼを調節可能に発現する方法を提供する。シェワネラ・オネルデンシス(Shewanella oneldensis)の調節された異種発現を、宿主の大腸菌(E.coli)において達成された。これは、ヒドロゲナーゼの構造遺伝子およびヒドロゲナーゼの成熟に関与する推定上のアクセサリー遺伝子産物の同時発現により達成された。最大のヒドロゲナーゼ発現は、現システムの最適化により、および種々の供給源からのヒドロゲナーゼ遺伝子の置換により達成できる。調節発現により、安定性の増強、触媒活性、および複合材料構築のための誘導化を目的としたヒドロゲナーゼ酵素の遺伝子操作を可能にする。
Heterologous expression of regulatory hydrogenases The present invention provides methods for regulatable expression of heterologous hydrogenases in a host cell. Regulated heterologous expression of Shewanella oneldensis was achieved in the host E. coli. This was achieved by co-expression of a hydrogenase structural gene and a putative accessory gene product involved in hydrogenase maturation. Maximum hydrogenase expression can be achieved by optimization of the current system and by replacement of the hydrogenase gene from various sources. Regulated expression allows for genetic manipulation of the hydrogenase enzyme for enhanced stability, catalytic activity, and derivatization for composite construction.

光触媒のH生成
本発明は、水素ガスを生成させる過程において光触媒を利用する方法をさらに含む。光触媒の添加により、該システムにさらなる調節要素が加えられ、還元等価体の供給源として、より低い電位の電子移動剤/媒介物を使用する可能性が与えられる。該触媒システムは、触媒自体を通って電気的または化学的酸化/還元電位の適用により操作される。光触媒およびそれらの特異的合成の重要成分としては:
1)サイズを調節した触媒ナノ粒子および組成物の合成
2)光活性化ナノ粒子から電子移動媒介物への電子移動
3)光活性化光採取分子からタンパク質ケージカプセル化触媒ナノ粒子への電子移動、
が挙げられる。
Photocatalytic H 2 Production The present invention further includes a method of utilizing a photocatalyst in the process of generating hydrogen gas. The addition of a photocatalyst adds additional regulatory elements to the system, giving the possibility to use lower potential electron transfer agents / mediators as a source of reducing equivalents. The catalyst system is operated by applying an electrical or chemical oxidation / reduction potential through the catalyst itself. Important components of photocatalysts and their specific synthesis include:
1) Synthesis of size-controlled catalyst nanoparticles and compositions 2) Electron transfer from photoactivated nanoparticles to electron transfer mediators 3) Electron transfer from photoactivated light harvesting molecules to protein cage encapsulated catalyst nanoparticles ,
Is mentioned.

サイズを調節したナノ粒子および組成物との合成
本発明は、サイズを調節したナノ粒子および組成物を合成する方法をさらに提供する。光レドックス過程の効率を調整する目的で酸化金属ベースのナノ材料の組成物を系統的に変化させるために生体模倣科学的アプローチを採用した。MV生成の有効性組成物の効果を評価するためにある範囲のタンパク質カプセル化ナノ材料の範囲を作出した。これらの材料としては、限定はしないが、Fe、Fe、Mn、Mn、Co、Co、TiO・nHOならびに種々の量のNi(II)、ZnSe、CdSe、CdS、ZnS、およびMoSによりドープされたFeベース材料およびCoベースの材料が挙げられる。これらの材料は、全て合成されており、構造的に特性化されている。
Synthesis with Size-Adjusted Nanoparticles and Compositions The present invention further provides methods of synthesizing size-adjusted nanoparticles and compositions. A biomimetic scientific approach was adopted to systematically change the composition of metal oxide-based nanomaterials with the aim of adjusting the efficiency of the photoredox process. A range of protein-encapsulated nanomaterials was created to evaluate the effectiveness of the MV generation effectiveness composition. These materials include, but are not limited to, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , Co 2 O 3 , Co 3 O 4 , TiO 2 .nH 2 O and various Fe and Co based materials doped with amounts of Ni (II), ZnSe, CdSe, CdS, ZnS, and MoS 2 . These materials are all synthesized and structurally characterized.

脱O
一実施形態において、本発明は、ナノ粒子の構築において脱O剤を使用する。例えば、高度にO反応性であり、脱O剤として作用できるCu(0)を、タンパク質ケージ構造内にカプセル化してヒドロゲナーゼ(または他の)レドックス活性酵素の活性を保護できる。したがって、酸化銅を含有するヒドロゲナーゼタンパク質ケージは、幾つかの利点を有することができる。第一に、Cuは、インサイチュ脱O化システムとして作用し、ナノ粒子の広い表面積は、この目的のために非常に魅力的なものになる。第二に、MVの光還元により発生した還元等価体を、ヒドロゲナーゼシステムのターンオーバーを駆動するために使用できる。還元MVは、Cu(II)をCu(0)へ還元できないので、光還元のこれら2つの生成物は、当然互いに独立している。
De-O 2 In one embodiment, the present invention uses a de-O 2 agent in the construction of nanoparticles. For example, Cu (0), which is highly O 2 reactive and can act as a de-O 2 agent, can be encapsulated within a protein cage structure to protect the activity of hydrogenase (or other) redox active enzymes. Thus, hydrogenase protein cages containing copper oxide can have several advantages. First, Cu acts as an in situ de-O 2 system, and the large surface area of the nanoparticles becomes very attractive for this purpose. Secondly, the reducing equivalents generated by photoreduction of MV + can be used to drive the turnover of the hydrogenase system. Since reduced MV + cannot reduce Cu (II) to Cu (0), these two products of photoreduction are naturally independent of each other.

光触媒および光採取発色団
別の実施形態において、本発明は、光採取分子に関するプラットフォームとしてタンパク質ケース構造を用いる方法を提供する。例えば、CCMV(および他のウィルス)のタンパク質ケージ構造、フェリチン(およびフェリチン様タンパク質)、小型熱ショックタンパク質、Dpsタンパク質を光採取分子の結合のために多価テンプレートとして使用でき、電子移動媒介物(メチルビオロゲン様)の光化学還元を駆動させるために使用できる。これらは、部位特異的様式でケージに結合できるRu(II)ビピリジンおよびRu(II)フェナントロリンなどの分子を含む。還元メチルビオロゲンは、触媒としてRu(bpy) 2+を有する有機種(例えば、EDTA)の光化学酸化を通して酸化メチルビオロゲン(MV)から生成できる。さらに、光採取発色団を、ヒドロゲナーゼなどのレドックス活性酵素に直接結合でき、大量輸送の限界およびメチルビオロゲンなどの電子移動媒介物の必要性をなくす可能性を有する。
Photocatalyst and light harvesting chromophore In another embodiment, the present invention provides a method of using a protein case structure as a platform for light harvesting molecules. For example, CCMV (and other virus) protein cage structures, ferritin (and ferritin-like proteins), small heat shock proteins, Dps proteins can be used as multivalent templates for binding light harvesting molecules, and electron transfer mediators ( It can be used to drive photochemical reduction of methylviologen-like). These include molecules such as Ru (II) bipyridine and Ru (II) phenanthroline that can bind to the cage in a site-specific manner. Reduced methyl viologen can be generated from oxidized methyl viologen (MV) through photochemical oxidation of organic species (eg, EDTA) having Ru (bpy) 3 2+ as a catalyst. Furthermore, the light harvesting chromophore can be directly coupled to a redox-active enzyme such as hydrogenase, potentially having the limitations of mass transport and eliminating the need for electron transfer mediators such as methyl viologen.

タンパク質ケージカプセル化触媒ナノ粒子
本発明は、触媒ナノ粒子がカプセル化されるタンパク質ケージを含んでなる組成物をさらに提供する。Ptのナノ粒子は、タンパク質ケージ構造(CCMV、フェリン、Hsp、Dps)内に効率的にカプセル化できることを、本発明者らは立証した。これらの粒子は、タンパク質ケージによりサイズおよび形状が制約されており、極めて高い比表面積を有するPtコロイドを増加させることから、Hの還元による高いH形成が得られる。この反応に必要な還元等価体は、還元メチルビオロゲン(MV)により供給できる。あるいは、還元ビオロゲンは、EDTA存在下、Zn(Hg/Znアマルガム)酸化により化学的に生成できる。この結合システムを用いて、Pt粒径依存性、タンパク質ケージ構造の性質(すなわち、Ptナノ粒子に対する還元ビオロゲンの拡散アクセス)、耐用寿命に関する触媒毒作用の阻止、ナノ粒子触媒(例えば、Pd、CoPt、FePt)の組成物、および光触媒カップルの性質の調査により、H生成を最適化できる。
Protein Cage Encapsulated Catalyst Nanoparticles The present invention further provides a composition comprising a protein cage in which the catalyst nanoparticles are encapsulated. We have demonstrated that Pt nanoparticles can be efficiently encapsulated within protein cage structures (CCMV, Ferrin, Hsp, Dps). These particles are constrained in size and shape by the protein cage and increase the Pt colloid with a very high specific surface area, resulting in high H 2 formation due to reduction of H + . The reducing equivalent required for this reaction can be supplied by reduced methyl viologen (MV). Alternatively, reduced viologen can be chemically generated by Zn (Hg / Zn amalgam) oxidation in the presence of EDTA. Using this binding system, Pt particle size dependence, nature of the protein cage structure (ie, diffusion access of reduced viologen to Pt nanoparticles), prevention of catalytic poisoning with respect to useful life, nanoparticle catalysts (eg, Pd, CoPt the composition of FePt), and the investigation of the nature of the photocatalyst couple, can be optimized with H 2 generation.

種々の組成物のナノ粒子、特に合金粒子の合成で、小型ペプチド類(ファージディスプレイから誘導)を、タンパク質ケージ構造内部への取り込みに本発明者の成功を利用できる。これらのペプチドは、特定の無機固体の核形成および粒子成長に、また、多形体の選択にも特異的であることが示された。したがって、Hを形成するために長期触媒安定性とHの還元時の活性との最適バランスをスクリーンする目的で多数の無機相の合成を方向づけることができる。 The success of the inventor can be used to incorporate small peptides (derived from phage display) into protein cage structures in the synthesis of nanoparticles of various compositions, particularly alloy particles. These peptides have been shown to be specific for nucleation and particle growth of certain inorganic solids and also for polymorph selection. Therefore, the synthesis of multiple inorganic phases can be directed to screen the optimal balance between long-term catalyst stability and activity upon reduction of H + to form H 2 .

本明細書に開示されたタンパク質ケージ内にカプセル化されたPt粒子は、合成ヒドロゲナーゼ模倣物として役立つ。このようなシステムにより、合成材料へ、生物学的触媒を有する最良の特性のコロイド状触媒を取込ませることが可能になる。コロイド状触媒および生物学的触媒は双方とも、それら自身の限界(酸素に対する感受性、毒作用、コスト、反応条件および寿命)があるが、これら2つのタイプの触媒を組み合わせることによって、これらの限界を巧みに回避する。   The Pt particles encapsulated within the protein cage disclosed herein serve as a synthetic hydrogenase mimic. Such a system allows the synthetic material to incorporate the best-characteristic colloidal catalyst with a biological catalyst. Both colloidal catalysts and biological catalysts have their own limitations (sensitivity to oxygen, poisoning, cost, reaction conditions and lifetime), but combining these two types of catalysts can limit these limitations. Skillfully avoid.

還元体
本発明は、還元メチルビオロゲン(およびその他の)媒介物形成に関する還元体をさらに含む。有機物としては、エチレンジアミンテトラ酢酸、タルトレート、シトレート、アセテート、エタノール(および他のアルコール類)などである。ヒドロキシルアミン、スルファイト、チオスルフェート、ジチオナイト、およびZnなどの無機物は全て使用できる。スルファイト(SO 2−)を用いる利点は、これが、石油精製の汚染副産物(SO+HO→HSO )であることである。スルファイトの酸化により、スルフェート(SO 2−)形成がもたらされる。したがって、還元体としてのスルファイトを利用することによって、有機種の酸化により生じたCO生成の問題を克服する。
Reductants The present invention further includes reductants for reduced methyl viologen (and other) mediator formation. Examples of organic substances include ethylenediaminetetraacetic acid, tartrate, citrate, acetate, ethanol (and other alcohols). Inorganics such as hydroxylamine, sulfite, thiosulfate, dithionite, and Zn can all be used. The advantage of using sulfite (SO 3 2− ) is that it is a petroleum by-product contaminated byproduct (SO 2 + H 2 O → HSO 3 ). Sulfite oxidation leads to sulfate (SO 4 2− ) formation. Thus, by utilizing sulfite as a reductant, the problem of CO 2 production caused by oxidation of organic species is overcome.

複合材料
本発明は、レドックスタンパク質から電極への電子移動を促進させる方法をさらに提供する。シリカ誘導ゾルゲル材料内へレドックス活性タンパク質のナノ範囲の封じ込めは、メチルビオロゲンなどの媒介物を必要とし、タンパク質による電子移動を促進する。これらゲルの多孔性は、カプセル化タンパク質へのアクセスを提供する。電極表面とヒドロゲナーゼおよび他のレドックス活性タンパク質のレドックス中心との間の直接的電子移動を促進する材料によって、化学的還元体に対する触媒的依存が解消される。ヒドロゲナーゼの場合、これら新規な材料は、酵素的連合触媒生成およびH−2(g)の酸化時にカプセル化酵素から電極への電子の流れを促進する。該材料は、電気活性マトリックスから誘導される。Snドープ化シリカ[Sn/SiO]、V、MoO、およびMnOなど、種々の生体電子工学ガラスが報告されている。
Composite Material The present invention further provides a method of promoting electron transfer from a redox protein to an electrode. The nano-range containment of redox-active proteins into silica-derived sol-gel materials requires a mediator such as methyl viologen and facilitates electron transfer by the protein. The porosity of these gels provides access to the encapsulated protein. Materials that promote direct electron transfer between the electrode surface and the redox centers of hydrogenases and other redox-active proteins eliminate the catalytic dependence on chemically reduced forms. In the case of hydrogenases, these novel materials facilitate the flow of electrons from the encapsulated enzyme to the electrode during enzymatic association catalyst generation and oxidation of H-2 (g). The material is derived from an electroactive matrix. Various bioelectronic glasses have been reported such as Sn-doped silica [Sn / SiO 2 ], V 2 O 5 , MoO 3 , and MnO 2 .

スルファイトから水素生成のための結合酵素システム
ヒドロゲナーゼは、1)自由に拡散する溶液ベースのシステム中、2)共有結合(スルファイトオキシダーゼとヒドロゲナーゼとの交差結合)により、または3)電気活性多孔性ゲル内への両成分の取込みにより、酵素スルファイトオキシダーゼに結合できる。このシステムにおいて、スルファイトのスルフェートへの酵素的酸化から誘導された還元等価体は、ヒドロゲナーゼによりプロトンの還元に方向づけることができる。上述のとおり、スルファイト(SO 2−)を用いる利点は、これが、石油精製の汚染副産物(SO+HO→HSO )であることである。スルファイトの酸化により、スルフェート(SO 2−)形成がもたらされる。したがって、還元体としてのスルファイトの利用はまた、有機種の酸化により生じたCO生成の問題を克服する。
Combined enzyme system for hydrogen generation from sulfite Hydrogenase is either 1) in a freely diffusing solution-based system, 2) by covalent bonding (cross-linking of sulfite oxidase and hydrogenase) or 3) electroactive porosity Incorporation of both components into the gel allows binding to the enzyme sulfite oxidase. In this system, reducing equivalents derived from enzymatic oxidation of sulfite to sulfate can be directed to proton reduction by hydrogenase. As mentioned above, the advantage of using sulfite (SO 3 2− ) is that it is a petroleum by-product contaminated byproduct (SO 2 + H 2 O → HSO 3 ). Sulfite oxidation leads to sulfate (SO 4 2− ) formation. Thus, the use of sulfite as a reductant also overcomes the problem of CO 2 production caused by oxidation of organic species.

ヒドロゲナーゼに対する光触媒の結合
スルファイト、有機酸、または多分エタノールなどの豊富な電子ドナー源から水素を生成するために光エネルギーを利用できる不均一触媒の開発において、ヒドロゲナーゼ酵素を光触媒(ナノ粒子光触媒など)に結合する。結合されたシステムは、水溶液中または固定化ゲル中で作用できる。基質および生成物が液相に移行できるような不均一触媒を生成するために、複合材料の成分は、電気活性ゲル(酸化シリカまたは他のポリマー類、例えば、ポリビオロゲン)中に固定化できる。Cu(0)などの酸素消費触媒ナノ粒子の添加は、酸素感受性ヒドロゲナーゼが酸素不活化しないように保護するために役立つ。
Binding photocatalysts to hydrogenases Hydrogenase enzymes can be photocatalyzed (such as nanoparticle photocatalysts) in the development of heterogeneous catalysts that can utilize light energy to generate hydrogen from abundant electron donor sources such as sulfites, organic acids, or perhaps ethanol. To join. The coupled system can operate in aqueous solution or immobilized gel. In order to produce a heterogeneous catalyst such that the substrate and product can enter the liquid phase, the components of the composite material can be immobilized in an electroactive gel (silica oxide or other polymers such as polyviologen). The addition of oxygen consuming catalyst nanoparticles such as Cu (0) serves to protect the oxygen sensitive hydrogenase from oxygen inactivation.

さらなる説明なしに、前述の説明および以下の例示的実施例を用いて、通常の当業者は、本発明の化合物を作製し、利用し、権利請求された方法を実施できると思われる。したがって、以下の作業実施例は、本発明の好ましい実施形態を具体的に指摘するものであり、決して本開示の残部を限定するものとして解釈してはならない。   Without further explanation, using the foregoing description and the following illustrative examples, one of ordinary skill in the art would be able to make and utilize the compounds of the present invention to perform the claimed methods. Accordingly, the following working examples specifically point out preferred embodiments of the invention and should not be construed as limiting the remainder of the disclosure in any way.

実施例1:ポリマーゲル中のヒドロゲナーゼ類のカプセル化
本実施例は、具体的にHアーゼ:ゾルゲル材料の水素生成活性に焦点を合わせている。ヒドロゲナーゼはまた、水素の酸化もまた触媒する二方向性酵素である。Hアーゼ:ゾルゲルペレットを、水素の頭部圧力下、緩衝(pH8.0)液中に入れることによって、該ペレットを水素酸化活性についてアッセイした。電子の流れは、メチルビオロゲンの還元によりモニターした。HアーゼのNiFe(ランプロバクター・モデストガロフィラス(Laprobacter modestogalophilus)(Lm)およびチオカプサ・ロセオペルシチナ(Thiocapsa roseopersicina)(Tr))またはFeのみ(クロストリジウム・パスツリアナム(Clostridium pasteurianum)(CpI))の形態を有するHアーゼ:ゾルゲルペレットは、溶液中で観察された水素発生の比活性の約60〜70%を保持する(表1)(ヒドロゲナーゼ類の単離:(a)L.モデストガロフィラス(L.modestogalophilus):ザドボルニー,O.A.(Zadvorny,O.A.);ゾリン,N.A.(Zorin,N.A.);ゴゴトフ,I.N.(Gogotov,I.N.);ゴルレンコ,V.M.(Gorlenko,V.M.)Biochemistry(Mosc)2004年、69、164−169頁。(b)T.ロセオペルシチナ(T.roseopersicina):シャーマン,M.B.(Sherman,M.B.);オルロバ,E.V.(Orlova,E.V.);スミルノバ,E.A.(Smirnova,E.A.);ホブモラー,S.(Hovmoller,S.);ゾリン,N.A.(Zorin,N.A.)J Bacteriol.1991年、173,2576−2580頁。(c)C.パスツリアナム(C.pasteurianum):チェン,J.S.(Chen,J.S.);モルテンソン,L.E.(Mortenson,L.E.)Biochim.Biophys.Acta 1974年、371、283−298頁)。
Example 1: Encapsulation embodiment hydrogenase such in the polymer gel, specifically H 2 ase: focus on hydrogen production activity of the sol-gel material. Hydrogenases are also bidirectional enzymes that also catalyze the oxidation of hydrogen. H 2 ase: sol-gel pellets, under the head pressure of hydrogen, by placing in buffered (pH 8.0) solution, the pellets were assayed for hydrogen oxidation activity. Electron flow was monitored by reduction of methyl viologen. H 2 ase of NiFe (run Pro Arthrobacter Modesto Gallo stearothermophilus (Laprobacter modestogalophilus) (Lm) and Chiokapusa-Roseoperushichina (Thiocapsa roseopersicina) (Tr)) or Fe only in the form of (Clostridium Pasutsurianamu (Clostridium pasteurianum) (CpI)) with H 2 ase: sol-gel pellets, hold approximately 60% to 70% of the specific activity of the hydrogen generated observed in solution (Table 1) (isolation of hydrogenase class:. (a) L Modesto Gallo stearothermophilus ( L. modestogalophilus): Zadoborny, OA (Zadvorny, OA); Zolin, NA (Zorin, NA); ogotov, I.N.); Gorlenko, VM (Gorlenko, VM) Biochemistry (Mosc) 2004, 69, 164-169, (b) T. roseopersicina: Sherman, M.B. (Sherman, M.B.); Orlova, E.V. (Orlova, E.V.); Smirnova, E.A. (Smirnova, E.A.); Zolin, NA (Zorin, NA) J Bacteriol, 1991, 173, 2576-2580. (C) C. pasteurianum: Chen, J. S. Chen, JS); Mortenson, LE (Mortenson, LE) B ochim.Biophys.Acta 1974 years, pp. 371,283-298).

Figure 2008539786
Figure 2008539786

同一の条件下でアッセイされたブランクゲルは、水素生成を示さなかった。C.パスツリアナム(C.pasteurianum)に由来のFeのみのヒドロゲナーゼCpIの熱処理粗製抽出液製剤からなる部分的精製製剤(処理粗製抽出液は、加圧処理細胞による細胞溶解により調製され、次いで55℃で10分間のインキュベート、4℃で一晩沈殿および20000gでの遠心分離による細胞粒子ならびに沈殿タンパク質の除去を行った)は、より高度に精製された製剤と比較した場合のカプセル化後、同様の活性レベルを保持した(それぞれ70%および60%)。これは、抽出液のさらなるタンパク質の高分子成分の共カプセル化が、有意に活性に影響を及ぼさないことを示唆している。粗製抽出液のカプセル化は、より不十分に規定された材料を生じるが、ヒドロゲナーゼの異種発現は容易ではなく、精製が困難であり、バルク精製材料の調製が極めて高価であることから、ほぼ等しい活性レベルを保持しながら酵素の粗製製剤をカプセル化し、固定化する能力は、実際問題として重要である。今日まで、CpIは、嫌気性条件下で増殖されたC.パスツリアナム(C.pasteurianum)の細胞から直接精製され、酵素は、酸素不在下、および還元剤の存在下で精製される。   Blank gels assayed under the same conditions showed no hydrogen production. C. Partially purified formulation consisting of heat-treated crude extract formulation of Fe-only hydrogenase CpI from C. pasteurianum (processed crude extract was prepared by cell lysis with pressure-treated cells and then at 55 ° C. for 10 minutes Incubation of the cells and removal of cell particles and precipitated protein by overnight precipitation at 4 ° C. and centrifugation at 20000 g) resulted in similar activity levels after encapsulation when compared to more highly purified formulations. Retained (70% and 60% respectively). This suggests that the co-encapsulation of additional protein macromolecular components of the extract does not significantly affect the activity. Encapsulation of the crude extract yields a less well-defined material, but is nearly equal because the heterogeneous expression of hydrogenase is not easy, is difficult to purify, and the preparation of bulk purified material is very expensive The ability to encapsulate and immobilize a crude enzyme preparation while retaining activity levels is important in practice. To date, CpI has been grown in C. aeruginosa grown under anaerobic conditions. Purified directly from cells of C. pasteurianum, the enzyme is purified in the absence of oxygen and in the presence of a reducing agent.

長期安定性および温度適合性は、潜在的なハイスループット水素発生の生体触媒における必須の機能である。活性化ヒドロゲナーゼ酵素は、酸素に感受性であり、典型的に希釈酵素製剤は、室温で限定された保存寿命を有し得る。これらの性質は、認識されるこれらの生体触媒の有用性にとって克服する必要がある障壁である。保存寿命(図2)および熱安定性(図3)に関する詳細な試験は、精製Lm NiFeヒドロゲナーゼおよびCpI熱処理抽出液を用いて実施された。ゲルカプセル化酵素は、4週間に亘り出発材料の約80%の活性を維持しながら、嫌気性緩衝液下、室温で保存できる(図2)。カプセル化ヒドロゲナーゼの安定性の増強は、大部分がより長期間で判断が下される。温度試験は、カプセル化酵素が溶液中のものと同等に機能することを示す(図3)。将来の試験は、より長期の保存期間をモニターするが、これらの酵素のカプセル化に関する条件の最適化が試みられていないこと考慮すると、本明細書に示された結果が裏付けられる。   Long-term stability and temperature compatibility are essential features in potential high-throughput hydrogen generation biocatalysts. Activated hydrogenase enzymes are sensitive to oxygen and typically diluted enzyme preparations may have a limited shelf life at room temperature. These properties are barriers that need to be overcome for the perceived utility of these biocatalysts. Detailed tests on shelf life (FIG. 2) and thermal stability (FIG. 3) were performed using purified Lm NiFe hydrogenase and CpI heat treated extract. The gel-encapsulated enzyme can be stored at room temperature under anaerobic buffer while maintaining about 80% activity of the starting material for 4 weeks (FIG. 2). Enhancing the stability of the encapsulated hydrogenase is largely determined over a longer period. The temperature test shows that the encapsulated enzyme functions as well as that in solution (FIG. 3). Future studies will monitor longer shelf life, but will support the results presented herein, considering that no attempt has been made to optimize the conditions for encapsulation of these enzymes.

この時点で、どの因子が、Hアーゼ:ゾルゲルの活性の時間依存的衰退の一因となるかは不明瞭である。還元媒介物は、長期曝露後のゾルゲル材料に結合すると思われる。これは、TMOS由来のゾルゲルのSi−Oネットワークおよび未反応Si−OH部分が、強力なイオン対電位をゾルゲル材料内に存在することから驚くべきことではない。これは、経時的Hアーゼ:ゾルゲルの活性の緩徐な減少の一因となり得る。 At this point, what factors, H 2 ase: or contribute to the time-dependent decline in the sol-gel activity is unclear. The reduction mediator appears to bind to the sol-gel material after prolonged exposure. This is not surprising since the Si-O network and unreacted Si-OH portion of the TMOS-derived sol-gel has a strong ion-pair potential in the sol-gel material. This time H 2 ase: may contribute to slow decrease of the sol-gel activity.

CpI Hアーゼの溶液およびゾルゲルカプセル化サンプルを、プロテアーゼで処理して(C.パスツリアナム(C.pasteurianum)抽出液のサンプルを、活性アッセイ前にプロテアーゼカクテルで25分間処理した)、観測された水素生成活性が、ゾルゲル材料の多孔性構造内に埋設された酵素に由来することを確認した(図4)(TrおよびLmヒドロゲナーゼは、タンパク質分解消化に感受性ではない)。溶液のCpI Hアーゼ活性は、プロテアーゼ曝露25分後にほぼゼロに減少する。CpI Hアーゼ:ゾルゲル活性は、同様のプロテアーゼ処理後7%未満に減少する。この小さな減少は、アクセス可能な表面結合または未カプセル化Hアーゼのプロテアーゼ消化から生じ得る。これらの結果は、大部分の活性なHアーゼが、ゲル内に埋設され、タンパク質分解に対して保護されていることを明確に示している。さらに、これらの結果は、高いカプセル化の効率があり、ヒドロゲナーゼ活性の観察された減少がタンパク質の部分的カプセル化によるものではないことを示している。したがって、活性の喪失は、カプセル化手法の結果としての酵素不活化、またはマトリックス中の質量移動速度の総合的減少に起因し得る。 Hydrogen solutions and sol-gel encapsulated samples CpI H 2 ase, was treated with a protease (Samples of C. Pasutsurianamu (C.Pasteurianum) extract was treated for 25 minutes with a protease cocktail before activity assay), observed It was confirmed that the production activity was derived from enzymes embedded in the porous structure of the sol-gel material (FIG. 4) (Tr and Lm hydrogenases are not sensitive to proteolytic digestion). CpI H 2 ase activity of the solution is reduced substantially to zero after protease exposure 25 minutes. CpI H 2 ase: sol-gel activity is reduced to less than 7% after the same protease treatment. This small reduction may result from an accessible surface bound or unencapsulated H 2 ase protease digestion. These results indicate that most of the active H 2 ase, embedded in the gel clearly shows that it is protected against proteolytic degradation. Furthermore, these results indicate that there is a high encapsulation efficiency and that the observed decrease in hydrogenase activity is not due to partial encapsulation of the protein. Thus, the loss of activity may be due to enzyme inactivation as a result of the encapsulation procedure, or an overall decrease in the rate of mass transfer in the matrix.

アーゼの多孔性ゾルゲル内へのナノスコープ封じ込めにより、機能性水素生成生体材料の合成を生じた。不均一性触媒として、これら新規な材料は、膨大な可能性と有用性を有する。 The nanoscope containment to H 2 ase porous sol-gel inside, resulting in the synthesis of a functional hydrogen generation biomaterial. As heterogeneous catalysts, these new materials have enormous potential and utility.

実施例2:Hspケージ内にカプセル化されたPtナノ粒子の合成
この実施例は、Hspケージ内にカプセル化されたPtナノ粒子の合成を記載する。メタノコッカス・ジャナッシー(Methanococcus jannaschii)に由来の小型熱ショックタンパク質(Hsp)の自己集合ケージ様構造は、規定された空間整列を有する金属クラスターをカプセル化するために使用されている(フレニケン(Flenniken)ら、2003年)。Hspは、ケージ構造を介してポアにより6.5nmの内腔を規定する12nmのケージ内に24のサブユニットから構築され、それによって分子は、内部環境と外部環境との間に折り返し輸送できる(図5)(キム(Kim)ら、1998年)。
Example 2: Synthesis of Pt nanoparticles encapsulated in an Hsp cage This example describes the synthesis of Pt nanoparticles encapsulated in an Hsp cage. A small heat shock protein (Hsp) self-assembled cage-like structure from Methanococcus jannaschii has been used to encapsulate metal clusters with defined spatial alignments (Flenniken) Et al., 2003). Hsp is built from 24 subunits in a 12 nm cage that defines a 6.5 nm lumen with a pore through the cage structure, so that molecules can be transported back and forth between the internal and external environments ( FIG. 5) (Kim et al., 1998).

簡潔に概説すると、精製Hspを、PtCl42−と65℃で15分間インキュベートした。タンパク質ケージは、1タンパク質ケージ当り150、250、または1000Ptでインキュベートした。引き続きジメチルアミンボラン錯体((ChNBH)による還元により、褐色溶液を形成した。ゲルろ過クロマトグラフィによる反応生成物の特性化により、未処理Hspと同一の保持容量が明らかとなり、タンパク質(280nm)とPt(350nm)成分の共溶出を示した(図6)。動的光散乱法は、反応後の粒子直径に変化を示さなかった。透過型電子顕微鏡(TEM)によるPt処理Hsp(Pt−Hsp)の可視化により、電子線回折(図7Aの差込図)によりPt金属として同定された電子密度コアおよび負に染色された場合、無処置の12nmタンパク質ケージ(図7B)を明らかにした。この染色サンプルにおいて、Pt粒子は、バックグラウンド染色上に明瞭に見ることができ、ケージ構造内に局在化している。1000Pt/ケージの平均装填に対して、2.2の金属粒子(0.7nmが観察された)(図7C)。250Pt/ケージの理論的装填において、1の粒子(0.2nmが観察された)(図8)、一方、150Pt/ケージの装填において、電子顕微鏡の限界のため粒子を識別できなかった。Hspフリー対照反応は、溶液から急速に沈殿した凝集Ptコロイドを形成した。同じ総タンパク質濃度でウシ血清アルブミン(BSA)を用いる対照反応はまた、バルク沈殿が生じ、Ptのフラクションのみは、TEMにより観察された場合、粒径(3〜120nm)の広い分布で溶液中に残った。 Briefly, purified Hsp was incubated with PtCl4 2- at 65 ° C. for 15 minutes. Protein cages were incubated at 150, 250, or 1000 Pt per protein cage. Subsequent reduction with dimethylamine borane complex ((Ch 3 ) 2 NBH 3 ) formed a brown solution. Characterization of the reaction product by gel filtration chromatography revealed the same retention capacity as untreated Hsp, indicating co-elution of protein (280 nm) and Pt (350 nm) components (FIG. 6). The dynamic light scattering method showed no change in the particle diameter after reaction. Visualization of Pt-treated Hsp (Pt-Hsp) with a transmission electron microscope (TEM) reveals an electron density core identified as Pt metal by electron diffraction (inset of FIG. 7A) and no staining when negatively stained. The treated 12 nm protein cage (Figure 7B) was revealed. In this stained sample, the Pt particles are clearly visible on the background stain and are localized within the cage structure. For an average loading of 1000 Pt / cage, 2.2 metal particles (0.7 nm was observed) (FIG. 7C). At a theoretical loading of 250 Pt / cage, one particle (0.2 nm was observed) (FIG. 8), while at 150 Pt / cage loading, particles could not be identified due to electron microscope limitations. The Hsp free control reaction formed aggregated Pt colloids that rapidly precipitated from solution. A control reaction with bovine serum albumin (BSA) at the same total protein concentration also resulted in bulk precipitation, and only the Pt fraction was in solution with a broad distribution of particle sizes (3-120 nm) as observed by TEM. The remaining.

Pt−Hspタンパク質ケージ複合体は、非常に効率的なヒドロゲナーゼ酵素と同等の速度でHを形成するためにHを還元できる非常に活性な人工触媒である。典型的なヒドロゲナーゼアッセイでは、還元メチルビオロゲン(MV)は、反応を駆動させるために還元等価体源として使用された。MVを生成するためにジチオナイトを用いる大抵のインビトロヒドロゲナーゼアッセイとは異なり、可視光および共触媒(Ru(bpy) 2+)が、EDTAなどの簡単な有機物の酸化によりMVを生成するために使用されている(ブルッガー(Brugger)ら、1981年;チアン(Jiang)ら、2004年)(図9)。この修飾アッセイにおいて、この溶液を、IRフィルターおよびUVカットオフフィルター(<360nm)で装備された150W Xeアークランプにより25℃で照明された。Pt−Hsp(0.51μM)は、pH5.0でMV2+(0.5mM)、Ru(bpy) 2+(0.2mM)、およびEDTA(200mM)の存在下で照明され、生じたHは、ガスクロマトグラフィにより定量化された。1ケージ当りを基準にして算出された場合、H形成の開始速度は、1Hsp当り1000Ptの装填因子に対して4.47×10/秒(394H/秒)および250の装填因子に対して7.63×10/秒(405H/秒)であった(図6)。これらの速度は、ヒドロゲナーゼ酵素に対して報告されたものと同等である(1タンパク質分子当り4×10から9×10/秒)(アダムス(Adams)ら、1990年)。 Pt-Hsp protein cage complexes are highly active artificial catalysts capable of reducing H + to form of H 2 in a very efficient hydrogenase enzyme a rate equivalent. In a typical hydrogenase assay, reduced methyl viologen (MV + ) was used as a source of reducing equivalents to drive the reaction. Unlike most in vitro hydrogenase kinase assay using dithionite to generate a MV +, visible and cocatalyst (Ru (bpy) 3 2+) is, in order to generate a MV + by oxidation of simple organic substances such as EDTA (Brugger et al., 1981; Jiang et al., 2004) (FIG. 9). In this modification assay, the solution was illuminated at 25 ° C. with a 150 W Xe arc lamp equipped with an IR filter and a UV cutoff filter (<360 nm). Pt-Hsp (0.51 μM) was illuminated at pH 5.0 in the presence of MV 2+ (0.5 mM), Ru (bpy) 3 2+ (0.2 mM), and EDTA (200 mM) and the resulting H 2 Was quantified by gas chromatography. When calculated on a per cage basis, the onset rate of H 2 formation is 4.47 × 10 3 H 2 / sec (394H 2 / sec) and 250 loading factors for a loading factor of 1000 Pt per Hsp. against 7.63 × 10 2 H 2 / sec was (405H 2 / sec) (Fig. 6). These rates are comparable to those reported for hydrogenase enzymes (4 × 10 3 to 9 × 10 3 H 2 / sec per protein molecule) (Adams et al., 1990).

最低Pt装填(150Pt/Hsp)に対してH生成活性は検出されなかった。これは、Ptのサイズ依存活性の以前の報告と一致する(グリーンバウム(Greenbaum)ら、1988年)。それはまた、これらのサンプル中のTEMによる個別のPt粒子を我々が検出できないことと一致し、合成されたPt粒子が、活性に必要なある閾値限界以下であることを意味する。 H 2 generating activity for at least Pt loading (150Pt / Hsp) was detected. This is consistent with previous reports of Pt size-dependent activity (Greenbaum et al., 1988). It is also consistent with our inability to detect individual Pt particles by TEM in these samples, meaning that the synthesized Pt particles are below some threshold threshold required for activity.

生成速度が1Pt当りの基準で算出される場合、それらが、他の報告されたPtナノ粒子と比較するのは極めて好ましい。1000Pt/ケージを有するPt−Hspの開始速度は、268H/Pt/分であり、これは、比較が可能である報告された文献値(20H/Pt/分(ブルッガー(Brugger)ら、1981年)、16H/Pt/分(ケラー(Keller)ら、1980年)、および6.5H/Pt/分(ソン(Song)ら、2004年)よりも有意に良好である。さらに、Pt−Hspの開始H生成速度は、タンパク質フリー対照反応において生成されたPt粒子に対して得られたものよりも約20倍超である。Hを生成するために結合光化学反応の長期安定性は、最適化されておらず、該反応の有意な遅速は、最初の20分後に見られる(図10)。このH生成の減衰は、主として光触媒Ru(bpy) 2+、およびPt触媒の水素化に供される電子媒介物(MV2+)の分解のためであると思われる。 If H 2 production rate is calculated by the reference per 1pt, they, are highly preferred to compare with other reported Pt nanoparticles. The onset rate of Pt-Hsp with 1000 Pt / cage is 268 H 2 / Pt / min, which is a reported literature value (20 H 2 / Pt / min (Brugger et al., 1981) that can be compared. Year), 16H 2 / Pt / min (Keller et al., 1980), and 6.5 H 2 / Pt / min (Song et al., 2004). starting H 2 production rate of -Hsp long-term stability of the bond photochemical reaction to produce a .H 2 also about 20 times greater than that obtained for Pt particles produced in protein-free control reactions is not optimized, significant slowing of the reaction is observed after the first 20 minutes (Figure 10). attenuation of the H 2 generation is mainly photocatalyst Ru (bpy) 3 2+, It is subjected to hydrogenation Pt catalyst and is believed to be due to the degradation of the electron mediator (MV 2+).

ヒドロゲナーゼ酵素とは異なり、人工Pt−Hspシステムは、Oに感受性ではなく、COによるH生成の有意な阻止を示さないが、チオールにより毒される。Pt−Hsp触媒反応は、還元ビオロゲン(MV)の存在により駆動された。MVは、上記の光還元または結合光還元反応よりも約40%遅いH生成速度を生じたジョーンズ(Jones)リダクター(ハリス(Harris)ら、1999年)(Znアマルガム)を用いることにより生成できた。また、Pt−Hspは、インサイチュ還元およびメチレンブルーの脱色によりモニターされる逆反応(H→2H+2e)を触媒できる(シーフェルト(Seeffeldt)ら、1989年)。この人工システムに関して重要なこととして、Pt−Hsp構築体は、著しく安定であり、複合体の沈殿なしで、または触媒活性の喪失をしないで85℃に加熱できる。 Unlike the hydrogenase enzyme, the artificial Pt-Hsp system is not sensitive to O 2 and does not show significant inhibition of H 2 production by CO, but is poisoned by thiols. The Pt-Hsp catalytic reaction was driven by the presence of reduced viologen (MV + ). MV + is produced by using Jones Reductor (Harris et al., 1999) (Zn amalgam) which produced a H 2 production rate that was about 40% slower than the photoreduction or combined photoreduction reactions described above. did it. Pt-Hsp can also catalyze the reverse reaction (H 2 → 2H + + 2e ) monitored by in situ reduction and decolorization of methylene blue (Seefeldt et al., 1989). Importantly for this artificial system, the Pt-Hsp construct is remarkably stable and can be heated to 85 ° C. without precipitation of the complex or without loss of catalytic activity.

十分に規定された熱安定性タンパク質ケージ構造は、これら生物学的触媒に共通した多くの特徴を有する人工ヒドロゲナーゼを生成するために使用されている。空間的選択様式で小型の金属クラスターが、Hを形成するためにHの還元に係わる活性な部位として作用するHspのケージ様構造の内部に導入されている。これら人工酵素の特異的活性は、既知のヒドロゲナーゼ酵素と同等であり、先に記載されたPtナノ粒子よりも有意に良好である。Hspのタンパク質ケージ構造は、小型のクラスターの完全性を維持するために作用し、凝集を防ぎ、これら「活性部位」へのアクセスを調節する。Pt−Hsp複合体は85℃まで安定であり、機能性ナノ粒子のデザインおよび実施のためにタンパク質構造を用いることの有用性を示している。 Well-defined thermostable protein cage structures have been used to produce artificial hydrogenases that have many features common to these biological catalysts. In a spatially selective manner, small metal clusters are introduced inside the cage-like structure of Hsp that acts as an active site involved in the reduction of H + to form H 2 . The specific activities of these artificial enzymes are comparable to known hydrogenase enzymes and are significantly better than the previously described Pt nanoparticles. The protein cage structure of Hsp acts to maintain the integrity of small clusters, prevents aggregation and regulates access to these “active sites”. The Pt-Hsp complex is stable up to 85 ° C., demonstrating the utility of using protein structures for the design and implementation of functional nanoparticles.

前述の詳細な説明は、あくまで理解を明瞭にするために記載されたものであり、それから不必要な限定を考えるべきではなく、したがって変更は当業者にとって明白になるであろう。   The foregoing detailed description has been set forth for clarity of understanding only, and no unnecessary limitations should be considered therefrom, and variations will become apparent to those skilled in the art.

本発明を、その具体的な実施形態に関連して説明したが、当然のことながら、さらなる変更が可能であり、本出願は、一般に本発明の原理に従った本発明の任意の変更、使用、または適応を包含することが意図されており、本発明が関係する技術分野で公知のまたは慣例的な実施の範囲に入り、本明細書に前述した本質的な形態に適用でき、添付の特許請求の範囲に従った、本開示からのかかる逸脱を含むものである。   Although the present invention has been described with reference to specific embodiments thereof, it will be appreciated that further modifications are possible and that this application will generally be subject to any modification, use of the present invention consistent with the principles of the invention. Or are intended to encompass adaptations, are within the scope of known or customary practice in the technical field to which this invention pertains, and are applicable to the essential forms described herein above, and are It is intended to include such deviations from the present disclosure in accordance with the claims.

本明細書に引用された全ての刊行物は、刊行物が引用される本発明の具体的な態様を開示し、説明のために参照として本明細書に援用されている。   All publications cited in this specification disclose specific embodiments of the invention in which the publications are cited and are incorporated herein by reference for the purpose of illustration.

References
Adams, M. W. Biochim. Biophys. Acta 1990, 1020, 115-145.
Allen, M.; Willits, D.; Mosolf, J.; Young, M.; Douglas, T. AdV. Mater. 2002, 14, 1562-1565.
Allen, M.; Willits, D.; Young, M.; Douglas, T. Inorg. Chem. 2003, 42, 6300-6305. Armor, J. N. Catal. Lett. 2005, 101, 131-135.
Avnir, D.; Braun, S.; Lev, O.; Ottolenghi, M. Chem. Mater. 1994, 6, 1605-1615.
Blyth, D. J.; Aylott, J. W.; Richardson, D. J.; Russell, D. A. Analyst 1995, 120, 2725-2730.
Brinker, C. J.; van Swol, F.; Shelnutt, J. A. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 635-645.
Brugger, P. A.; Cuendet, P.; Gratzel, M. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 2923-2927. Cammack, R. Nature 1999, 397, 214-5.
Chen, C. W.; Tano, D.; Akashi, M. J. Colloid Interface Sd. 2000, 225, 349-358.
Chen, D. H.; Yeh, J. 1; Huang, T. C. J. Colloid Interface Sci. 1999, 215,159-166.
Chum, H. L.; Overend, R. P. Fuel Process. Technol. 2001, 77, 187- 195.
Douglas, T.; Young, M. Nature 1998, 393, 152-155.
Eklund, S. E.; Cliffel, D. E. Langmuir 2004, 20, 6012-6018.
Flenniken, M. L.; Willits, D. A.; Brumfield, S.; Young, M. J.; Douglas, T. Nano Lett. 2003, 3, 1573-1576.
Gill, I. Chem. Mater 2001, 13, 3404-3421
Gomez, S.; Erades, L.; Philippot, K.; Chaudret, B.; Colliere, V.; Balmes, O.; Bovin, J. O. Chem. Commun. 2001, 1474-1475.
Greenbaum, E. J. Phys. Chem. 1988, 92, 4571-4574.
Happe, R. P.; Roseboom, W.; Pierik, A. J.; Albracht, S. P.; Bagley, K. A. Nature 1997, 385, 126.
Harris, D., Quantitative Chemical Analysis. 5th ed.; W.H. Freeman and Co.: New York, 1999; p 425.
Jiang, D. L.; Choi, C. K.; Honda, K.; Li, W. S.; Yuzawa, T.; Aida, T. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 12084-12089.
Keller, P.; Moradpour, A. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 7193-7196.
Kim, K. K.; Kim, R.; Kim, S. H. Nature 1998, 394, 595-599.
Klem, M.; Willits, D.; Solis, D.; Belcher, A.; Young, M.; Douglas, T. AdV. Funct. Mater. 2005, 15, 1489-1494.
Lan, E. H.; Dave, B. C; Fukuto, J. M.; Dunn, B.; Zink, J. L; Valentine, J. S. J. Mater. Chem. 1999, 9, 45-53.
McMillan, R. A.; Paavola, C. D.; Howard, J.; Chan, S. L.; Zaluzec, N. J.; Trent, J. D. Nat. Mater. 2002, 1, 247-252.
Narayanan, R.; El-Sayed, M. A. Nano Lett. 2004, 4, 1343-1348.
Nicolet, Y.; Lemon, B. J.; Fontecilla-Camps, J. C; Peters, J. W. Trends Biochem. Sci. 2000, 25, 138-43.
Peters, J. W. Curr. Opin. Struct. Biol. 1999, 9,670-676.
Peters, J W.; Lanzilotta, W. N.; Lemon, B. J.; Seefeldt, L. C. Science 1998, 282, 1842-1843.
Pierik, A. J.; Hulstein, M.; Hagen, W. R.; Albracht, S. P. Eur. J. Biochem. 1998, 258, 572-8.
Przybyla, A. E.; Robbins, J.; Menon, N.; Peck, H. D., Jr. FEMS Microbiol. ReV. 1992, 8,109-35.
Seefeldt, L. C; Arp, D. J. Biochemistry 1989, 28, 1588-1596.
Smith, K.; Silvernail, N. J.; Rodgers, K. R.; Elgren, T. E.; Castro, M.; Parker, R. M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 4247-4252.
Song, Y. J.; Yang, Y.; Medforth, C. J.; Pereira, E.; Singh, A. K.; Xu, H. F.; Jiang, Y. B.; Spiegel, R. J. Tramp. Res., Part D: Transp. EnYiron. 2004,9,357- 371.
Teranishi, T.; Kurita, R.; Miyake, M. J. Inorg. Organomet. Polym. 2000, 10, 145-156.
Tseng, P.; Lee, J.; Friley, P. Energy 2005, 30, 2703-2720.
Tu, W. X.; Lin, H. F. Chem. Mater. 2000, 12, 564-567.
Usselman, R. J.; Klem, M.; Allen, M.; Walter, E. D.; Gilmore, K.; Douglas, T.; Young, M.; Idzerda, Y.; Singel, D. J. J. Appl. Phys. 2005, 97.
Varfolomeyev, S. D.; Aliev, T. K.; Efremenko, E. N. Pure Appl. Chem. 2004, 76, 1781- 1798.
Vignais, P. M.; Billoud, B.; Meyer, J. FEMS Microbiol. ReV. 2001, 25, 455-501.
Volbeda, A.; Charon, M. H.; Piras, C; Hatchikian, E. C; Frey, M.; Fontecilla-Camps, J. C. Nature 1995, 373, 580-7.
Winter, C. J. Int. J. Hydrogen Energy 2005, 30, 681-685.
Wunschiers, R.; Lindblad, P. Int. J. Hydrogen Energy 2002, 27, 1131-1140.
Zink, J. L; Valentine, J. S.; Dunn, B. New. J. Chem. 1994, 18, 1109- 1115.
Zhao, S. Y.; Chen, S. H.; Wang, S. Y.; Li, D. G.; Ma, H. Y. Langmuir 2002, 18, 3315-3318.
References
Adams, MW Biochim. Biophys. Acta 1990, 1020, 115-145.
Allen, M .; Willits, D .; Mosolf, J .; Young, M .; Douglas, T. AdV. Mater. 2002, 14, 1562-1565.
Allen, M .; Willits, D .; Young, M .; Douglas, T. Inorg. Chem. 2003, 42, 6300-6305. Armor, JN Catal. Lett. 2005, 101, 131-135.
Avnir, D .; Braun, S .; Lev, O .; Ottolenghi, M. Chem. Mater. 1994, 6, 1605-1615.
Blyth, DJ; Aylott, JW; Richardson, DJ; Russell, DA Analyst 1995, 120, 2725-2730.
Brinker, CJ; van Swol, F .; Shelnutt, JAJ Am. Chem. Soc. 2004, 126, 635-645.
Brugger, PA; Cuendet, P .; Gratzel, MJ Am. Chem. Soc. 1981, 103, 2923-2927. Cammack, R. Nature 1999, 397, 214-5.
Chen, CW; Tano, D .; Akashi, MJ Colloid Interface Sd. 2000, 225, 349-358.
Chen, DH; Yeh, J. 1; Huang, TCJ Colloid Interface Sci. 1999, 215, 159-166.
Chum, HL; Overend, RP Fuel Process. Technol. 2001, 77, 187- 195.
Douglas, T .; Young, M. Nature 1998, 393, 152-155.
Eklund, SE; Cliffel, DE Langmuir 2004, 20, 6012-6018.
Flenniken, ML; Willits, DA; Brumfield, S .; Young, MJ; Douglas, T. Nano Lett. 2003, 3, 1573-1576.
Gill, I. Chem. Mater 2001, 13, 3404-3421
Gomez, S .; Erades, L .; Philippot, K .; Chaudret, B .; Colliere, V .; Balmes, O .; Bovin, JO Chem. Commun. 2001, 1474-1475.
Greenbaum, EJ Phys. Chem. 1988, 92, 4571-4574.
Happe, RP; Roseboom, W .; Pierik, AJ; Albracht, SP; Bagley, KA Nature 1997, 385, 126.
Harris, D., Quantitative Chemical Analysis.5th ed .; WH Freeman and Co .: New York, 1999; p 425.
Jiang, DL; Choi, CK; Honda, K .; Li, WS; Yuzawa, T .; Aida, TJ Am. Chem. Soc. 2004, 126, 12084-12089.
Keller, P .; Moradpour, AJ Am. Chem. Soc. 1980, 102, 7193-7196.
Kim, KK; Kim, R .; Kim, SH Nature 1998, 394, 595-599.
Klem, M .; Willits, D .; Solis, D .; Belcher, A .; Young, M .; Douglas, T. AdV. Funct. Mater. 2005, 15, 1489-1494.
Lan, EH; Dave, B. C; Fukuto, JM; Dunn, B .; Zink, J. L; Valentine, JSJ Mater. Chem. 1999, 9, 45-53.
McMillan, RA; Paavola, CD; Howard, J .; Chan, SL; Zaluzec, NJ; Trent, JD Nat. Mater. 2002, 1, 247-252.
Narayanan, R .; El-Sayed, MA Nano Lett. 2004, 4, 1343-1348.
Nicolet, Y .; Lemon, BJ; Fontecilla-Camps, J. C; Peters, JW Trends Biochem. Sci. 2000, 25, 138-43.
Peters, JW Curr. Opin.Struct. Biol. 1999, 9,670-676.
Peters, J W .; Lanzilotta, WN; Lemon, BJ; Seefeldt, LC Science 1998, 282, 1842-1843.
Pierik, AJ; Hulstein, M .; Hagen, WR; Albracht, SP Eur. J. Biochem. 1998, 258, 572-8.
Przybyla, AE; Robbins, J .; Menon, N .; Peck, HD, Jr. FEMS Microbiol. ReV. 1992, 8, 109-35.
Seefeldt, L. C; Arp, DJ Biochemistry 1989, 28, 1588-1596.
Smith, K .; Silvernail, NJ; Rodgers, KR; Elgren, TE; Castro, M .; Parker, RMJ Am. Chem. Soc. 2002, 124, 4247-4252.
Song, YJ; Yang, Y .; Medforth, CJ; Pereira, E .; Singh, AK; Xu, HF; Jiang, YB; Spiegel, RJ Tramp. Res., Part D: Transp. EnYiron. 2004, 9, 357-371 .
Teranishi, T .; Kurita, R .; Miyake, MJ Inorg. Organomet. Polym. 2000, 10, 145-156.
Tseng, P .; Lee, J .; Friley, P. Energy 2005, 30, 2703-2720.
Tu, WX; Lin, HF Chem. Mater. 2000, 12, 564-567.
Usselman, RJ; Klem, M .; Allen, M .; Walter, ED; Gilmore, K .; Douglas, T .; Young, M .; Idzerda, Y .; Singel, DJJ Appl. Phys. 2005, 97.
Varfolomeyev, SD; Aliev, TK; Efremenko, EN Pure Appl. Chem. 2004, 76, 1781-1798.
Vignais, PM; Billoud, B .; Meyer, J. FEMS Microbiol. ReV. 2001, 25, 455-501.
Volbeda, A .; Charon, MH; Piras, C; Hatchikian, E. C; Frey, M .; Fontecilla-Camps, JC Nature 1995, 373, 580-7.
Winter, CJ Int. J. Hydrogen Energy 2005, 30, 681-685.
Wunschiers, R .; Lindblad, P. Int. J. Hydrogen Energy 2002, 27, 1131-1140.
Zink, J. L; Valentine, JS; Dunn, B. New. J. Chem. 1994, 18, 1109-1115.
Zhao, SY; Chen, SH; Wang, SY; Li, DG; Ma, HY Langmuir 2002, 18, 3315-3318.

本発明のより完全な理解およびそのさらなる利益のため、以下の図面が参照される:
水素生成デバイスに用いられる複合材料を示す図面である。 溶液中およびゾルゲル中にカプセル化されたC.パスツリアナム(C.pasteurianum)(CpI)およびL.モデストガロフィラス(L.modestogalophilus)(Lm)ヒドロゲナーゼの水素生成活性を示すグラフである:◆、溶液中のCpI;●、ゾルゲル中のCpI;▲、溶液中のLm;■、ゾルゲル中のLm。 溶液中およびゾルゲル中にカプセル化されたC.パスツリアナム(C.pasteurianum)(CpI)およびL.モデストガロフィラス(L.modestogalophilus)(Lm)ヒドロゲナーゼの水素生成活性の温度依存性を示すグラフである:◆、溶液中のCpI;●、ゾルゲル中のCpI;▲、溶液中のLm;■、ゾルゲル中のLm。 プロテアーゼの存在下(開放)および不在下(陰影)、C.パスツリアナム(C.pasteurianum)からの溶液およびゾルゲルカプセル化ヒドロゲナーゼの水素生成活性を示すグラフである。 (A)メタノコッカス・ジャナッシー(Methanococcus jannaschii)(pdb:1shs)由来の小型熱ショックタンパク質(Hsp)ケージの空間充填画像および(B)該ケージの内腔を示すHspの破断図を示す。 Hspのゲルろ過クロマトグラフィを示す図である:(A)非ミネラル化Hsp;(B)タンパク質(280nm)とミネラル(350nm)の共溶出を示す250Pt/Hspによりミネラル化されたHsp;(C)タンパク質(280nm)とミネラル(350nm)の共溶出を示す、1000Pt/Hspによりミネラル化されたHsp。 (A)非染色Hsp1000PtのTEMを示す画像であり、差込図は、Hsp1000PtからのPtの電子線回折を示し、(B)2%酢酸ウラニルで染色されたHsp1000PtのTEM、(C)Hsp1000Pt中のPt粒子直径の柱状図を示し、平均2.2(0.7nmのスケールバー)20nmである。 (A)2%酢酸ウラニルで染色されたHsp250PtのTEMを示す画像であり、(B)Hsp250Pt中のPt粒子直径の柱状図を示し、スケールバー)20nmである。 Pt−HsPからの光媒介H生成を示す略図であり、メチルビオロゲン(MV2+)は、Ru(bpy) 2+光触媒とH生成を担うPt−Hspとの間の電子移動媒介物として用いられる。 0.2mMのRu(bpy) 2+、0.5mMのメチルビオロゲン、200mMのEDTA、および500mMのアセテートpH5.0中のPt−HspからのH生成を示すグラフであり:▲、1000Pt/Hsp5.1×10−10mol Pt;■、250Pt/Hsp8.2×10−10mol Pt。
For a more complete understanding of the present invention and further benefits thereof, reference is made to the following drawings:
It is drawing which shows the composite material used for a hydrogen production | generation device. C. encapsulated in solution and sol-gel. Pasteurianum (CpI) and L. FIG. 2 is a graph showing hydrogen generation activity of L. modetogalophilus (Lm) hydrogenase: ◆, CpI in solution; ●, CpI in sol gel; ▲, Lm in solution; ■, Lm in sol gel . C. encapsulated in solution and sol-gel. Pasteurianum (CpI) and L. It is a graph which shows the temperature dependence of the hydrogen-producing activity of L. modetogalophilus (Lm) hydrogenase: ◆, CpI in solution; ●, CpI in sol-gel; ▲, Lm in solution; Lm in sol-gel. B. presence of protease (open) and absence (shade), C.I. 2 is a graph showing the hydrogen generation activity of a solution and sol-gel encapsulated hydrogenase from C. pasteurianum. (A) Space-filled image of a small heat shock protein (Hsp) cage derived from Methanococcus jannaschii (pdb: 1shs) and (B) a cut-away view of Hsp showing the lumen of the cage. FIG. 1 shows gel filtration chromatography of Hsp: (A) non-mineralized Hsp; (B) Hsp mineralized with 250 Pt / Hsp showing co-elution of protein (280 nm) and mineral (350 nm); (C) protein Hsp mineralized with 1000 Pt / Hsp, showing co-elution of (280 nm) and mineral (350 nm). (A) Image showing TEM of unstained Hsp1000Pt, inset shows electron diffraction of Pt 0 from Hsp1000Pt, (B) TEM of Hsp1000Pt stained with 2% uranyl acetate, (C) Hsp1000Pt A columnar diagram of the Pt particle diameter in the middle is shown, with an average of 2.2 (0.7 nm scale bar) 20 nm. (A) Image showing a TEM of Hsp250Pt stained with 2% uranyl acetate, (B) Columnar view of Pt particle diameter in Hsp250Pt, scale bar) 20 nm. FIG. 6 is a schematic diagram showing photo-mediated H 2 production from Pt—HsP, where methylviologen (MV 2+ ) is used as an electron transfer mediator between Ru (bpy) 3 2+ photocatalyst and Pt-Hsp responsible for H 2 production. It is done. FIG. 5 is a graph showing H 2 production from Pt-Hsp in 0.2 mM Ru (bpy) 3 2+ , 0.5 mM methylviologen, 200 mM EDTA, and 500 mM acetate pH 5.0: ▲, 1000 Pt / Hsp5 1 × 10 −10 mol Pt; ■, 250 Pt / Hsp 8.2 × 10 −10 mol Pt.

Claims (41)

1)ポリマーゲルと、
2)光触媒と、
3)タンパク質をベースとするH触媒と、
を含む光触媒H生成用複合材料。
1) a polymer gel;
2) a photocatalyst;
3) a protein-based H 2 catalyst;
A composite material for producing photocatalyst H 2 .
前記H触媒が、ヒドロゲナーゼである請求項1に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein the H 2 catalyst is a hydrogenase. 前記ヒドロゲナーゼが、前記ポリマーゲル内にカプセル化される請求項2に記載の複合材料。   The composite material according to claim 2, wherein the hydrogenase is encapsulated in the polymer gel. 前記ゲルが、多孔性である請求項3に記載の複合材料。   The composite material according to claim 3, wherein the gel is porous. 前記ゲルが、ゾル−ゲルである請求項4に記載の複合材料。   The composite material according to claim 4, wherein the gel is a sol-gel. 前記H触媒が、ヒドロゲナーゼ模倣物である請求項1に記載の複合材料。 The composite material of claim 1, wherein the H 2 catalyst is a hydrogenase mimic. 前記ヒドロゲナーゼ模倣物が、ナノ粒子である請求項6に記載の複合材料。   The composite material according to claim 6, wherein the hydrogenase mimic is a nanoparticle. 前記ナノ粒子が、シェルおよびコアを含むタンパク質ケージの形態である請求項7に記載の複合材料。   The composite material according to claim 7, wherein the nanoparticles are in the form of a protein cage comprising a shell and a core. 前記シェルが、タンパク質を含む請求項8に記載の複合材料。   The composite material according to claim 8, wherein the shell contains a protein. 前記タンパク質が、24のサブユニットタンパク質である請求項9に記載の複合材料。   The composite material according to claim 9, wherein the protein is a 24 subunit protein. 前記タンパク質が、小型の熱ショックタンパク質(HSp)である請求項10に記載の複合材料。   The composite material according to claim 10, wherein the protein is a small heat shock protein (HSp). 前記コアが、金属を含む請求項8に記載の複合材料。   The composite material according to claim 8, wherein the core includes a metal. 前記金属が、白金、ニッケル、鉄、およびコバルトからなる群から選択される請求項12に記載の複合材料。   The composite material according to claim 12, wherein the metal is selected from the group consisting of platinum, nickel, iron, and cobalt. 前記金属が、白金である請求項13に記載の複合材料。   The composite material according to claim 13, wherein the metal is platinum. レドックス媒介物をさらに含む請求項1に記載の複合材料。   The composite material of claim 1 further comprising a redox mediator. 前記レドックス媒介物が、ポリビオロゲンを含む請求項15に記載の複合材料。   The composite material of claim 15, wherein the redox mediator comprises a polyviologen. 脱酸素剤をさらに含む請求項16に記載の複合材料。   The composite material of claim 16 further comprising an oxygen scavenger. 前記脱酸素剤が、Cu(0)を含む請求項17に記載の複合材料。   The composite material according to claim 17, wherein the oxygen scavenger comprises Cu (0). 前記光触媒が、ナノ粒子として製剤化される請求項1に記載の複合材料。   The composite material according to claim 1, wherein the photocatalyst is formulated as nanoparticles. 前記光触媒が、タンパク質ケージ構造内にカプセル化される請求項1または19に記載の複合材料。   20. A composite material according to claim 1 or 19, wherein the photocatalyst is encapsulated within a protein cage structure. 前記ヒドロゲナーゼ酵素が、クロストリジウム・パスツリアナム(Clostridium pasteurianum)、ランプロバクター・モデストガロフィラス(Lamprobacter modestogalophilus)、チオカプサ・ロセオペルシチナ(Thiocapsa roseopersicina)、またはそれらの組合せに由来する請求項1に記載の複合材料。   The hydrogenase enzyme is derived from Clostridium pasteurianum, Lamprobacter modernogalophilus, Thiocapsa roseopericina, Thiocapsa rosesein, or a combination of these materials. 前記材料が、
i)前記光触媒および前記ヒドロゲナーゼ酵素をさらに含む内層と、
ii)前記光触媒、前記レドックス媒介物、および前記脱酸素剤をさらに含む外層と、
を含む請求項17に記載の複合材料。
The material is
i) an inner layer further comprising the photocatalyst and the hydrogenase enzyme;
ii) an outer layer further comprising the photocatalyst, the redox mediator, and the oxygen scavenger;
The composite material according to claim 17, comprising:
電子ドナーを、1)ポリマーゲル、2)光触媒、および3)タンパク質をベースとするH触媒を含む複合材料と反応させることを含むHを生成させる方法。 Electron donor, 1) Polymer gel, 2) a photocatalyst, and 3) a method of generating and H 2 which comprises reacting a composite material containing H 2 catalysts based on protein. 前記H触媒が、ヒドロゲナーゼである請求項23に記載の方法。 The H 2 catalyst The method of claim 23 which is a hydrogenase. 前記ヒドロゲナーゼ酵素が、クロストリジウム・パスツリアナム(Clostridium pasteurianum)、ランプロバクター・モデストガロフィラス(Lamprobacter modestogalophilus)、チオカプサ・ロセオペルシチナ(Thiocapsa roseopersicina)、またはそれらの組合せに由来する請求項24に記載の方法。   25. The hydrogenase enzyme is derived from Clostridium pasteurianum, Lamprobacter modegalophilus, Thiocapsa roseopericina (Thiocapsa rosesein), or thiocapsa rosesein 24. 前記ヒドロゲナーゼが、ポリマーゲル内にカプセル化される請求項24に記載の方法。   25. The method of claim 24, wherein the hydrogenase is encapsulated within a polymer gel. 前記ゲルが、多孔性である請求項26に記載の方法。   27. The method of claim 26, wherein the gel is porous. 前記ゲルが、ゾル−ゲルである請求項27に記載の方法。   28. The method of claim 27, wherein the gel is a sol-gel. 前記H触媒が、ヒドロゲナーゼ模倣物である請求項23に記載の方法。 The H 2 catalyst The method of claim 23 which is a hydrogenase mimics. 前記ヒドロゲナーゼ模倣物が、ナノ粒子である請求項29に記載の方法。   30. The method of claim 29, wherein the hydrogenase mimic is a nanoparticle. 前記ナノ粒子が、シェルおよびコアを含むタンパク質ケージの形態である請求項30に記載の方法。   31. The method of claim 30, wherein the nanoparticles are in the form of a protein cage that includes a shell and a core. 前記シェルが、タンパク質を含む請求項31に記載の方法。   32. The method of claim 31, wherein the shell comprises a protein. 前記タンパク質が、24のサブユニットタンパク質である請求項32に記載の方法。   35. The method of claim 32, wherein the protein is a 24 subunit protein. 前記タンパク質が、小型の熱ショックタンパク質(HSp)である請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, wherein the protein is a small heat shock protein (HSp). 前記コアが、金属を含む請求項31に記載の方法。   32. The method of claim 31, wherein the core comprises a metal. 前記金属が、白金、ニッケル、鉄、およびコバルトからなる群から選択される請求項35に記載の方法。   36. The method of claim 35, wherein the metal is selected from the group consisting of platinum, nickel, iron, and cobalt. 前記金属が、白金である請求項36に記載の方法。   The method of claim 36, wherein the metal is platinum. 前記光触媒が、ナノ粒子として製剤化される請求項23に記載の方法。   24. The method of claim 23, wherein the photocatalyst is formulated as nanoparticles. 前記光触媒が、タンパク質ケージ構造内にカプセル化される請求項23に記載の方法。   24. The method of claim 23, wherein the photocatalyst is encapsulated within a protein cage structure. 前記電子ドナーが、酢酸、クエン酸、酒石酸、エタノール、EDTA、ヒドロキシルアミン、およびそれらの混合物からなる群のうちの1つである請求項23に記載の方法。   24. The method of claim 23, wherein the electron donor is one of the group consisting of acetic acid, citric acid, tartaric acid, ethanol, EDTA, hydroxylamine, and mixtures thereof. 前記電子ドナーが、スルファイト、チオスルフェート、およびジチオナイトからなる群のうちの1つである請求項23に記載の方法。   24. The method of claim 23, wherein the electron donor is one of the group consisting of sulfite, thiosulfate, and dithionite.
JP2008512439A 2005-05-16 2006-05-16 Composite nanomaterials for photocatalytic hydrogen generation and methods for their use Pending JP2008539786A (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US68117405P 2005-05-16 2005-05-16
PCT/US2006/018900 WO2007086918A2 (en) 2005-05-16 2006-05-16 Composite nanomaterials for photocatalytic hydrogen production and methods of their use

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008539786A true JP2008539786A (en) 2008-11-20

Family

ID=38309659

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008512439A Pending JP2008539786A (en) 2005-05-16 2006-05-16 Composite nanomaterials for photocatalytic hydrogen generation and methods for their use

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20080302669A1 (en)
EP (1) EP1902130A4 (en)
JP (1) JP2008539786A (en)
CN (1) CN101512003A (en)
AU (1) AU2006336421A1 (en)
CA (1) CA2608870A1 (en)
WO (1) WO2007086918A2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014530166A (en) * 2011-09-30 2014-11-17 カウンシル オブ サイエンティフィック アンド インダストリアル リサーチ Method for producing hydrogen and synthesis gas

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100021391A1 (en) * 2006-07-14 2010-01-28 Montana State University Novel nanoparticles for biofilm targeting
US20100258446A1 (en) * 2009-04-03 2010-10-14 Board Of Regents Of The Nevada System Of Higher Education, On Behalf Of The University Of Nevada Systems including nanotubular arrays for converting carbon dioxide to an organic compound
US20110039314A1 (en) 2009-08-14 2011-02-17 Loyola University Of Chicago Composition for Catalytic Amide Production and Uses Thereof
US9593053B1 (en) 2011-11-14 2017-03-14 Hypersolar, Inc. Photoelectrosynthetically active heterostructures
US20160008783A1 (en) * 2013-02-15 2016-01-14 Empire Technology Development Llc Photocatalytic degradation of sugar
CN104340957B (en) * 2013-07-29 2017-03-15 中国科学院大连化学物理研究所 Photosynthetical system two and the method for semiconductor hybrid system photocatalytic hydrogen production by water decomposition gas
US10100415B2 (en) 2014-03-21 2018-10-16 Hypersolar, Inc. Multi-junction artificial photosynthetic cell with enhanced photovoltages
CN103934032B (en) * 2014-04-22 2015-10-07 中国科学院理化技术研究所 clay-loaded hydrogen production catalyst and preparation method and application thereof
WO2019178189A1 (en) * 2018-03-13 2019-09-19 BOMAX Hydrogen LLC Improved methods and systems for photo-activated hydrogen generation
WO2019199647A1 (en) * 2018-04-12 2019-10-17 Alliance For Sustainable Energy, Llc In vitro production of hydrogen utilizing hydrogenase
CN108786856A (en) * 2018-05-29 2018-11-13 江苏大学 A kind of MoS2/Co3O4The preparation method and applications of heterojunction photocatalyst
US11541105B2 (en) 2018-06-01 2023-01-03 The Research Foundation For The State University Of New York Compositions and methods for disrupting biofilm formation and maintenance
CN109908964A (en) * 2019-04-02 2019-06-21 南京大学 Iron-sulfur cluster-protein gel compound and the preparation method and application thereof
WO2021102248A1 (en) * 2019-11-20 2021-05-27 Oakbio, Inc. Bioreactors with integrated catalytic nitrogen fixation
CN111575208A (en) * 2020-05-25 2020-08-25 扬州大学 Iron sesquioxide-molybdenum sulfide composite nano material and application thereof in inhibiting gene junction transfer
CN111847525B (en) * 2020-07-29 2023-06-13 安徽工程大学 Green synthetic magnetic nano Fe for water hyacinth 3 O 4 Method and use of particles
CN113926497B (en) * 2021-10-08 2022-12-30 浙江工商大学 Aptamer modification based MoS 2 Microfluidic array mass spectrum chip made of composite material and preparation method and application thereof
CN114395550A (en) * 2022-01-16 2022-04-26 安徽大学 Method for degrading halogenated organic pollutants by coupling immobilized dissimilatory metal reducing bacteria-driven biohydrogen production-nano palladium

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5821111A (en) * 1994-03-31 1998-10-13 Bioengineering Resources, Inc. Bioconversion of waste biomass to useful products
AU2003272187A1 (en) * 2002-02-01 2004-01-06 Montana State University Novel nanoparticles and use thereof
WO2004093524A2 (en) * 2003-04-18 2004-11-04 Midwest Research Institute Oxygen-resistant hydrogenases and methods for designing and making same
WO2004112214A2 (en) * 2003-05-30 2004-12-23 The Arizona Board Of Regents Acting On Behalf Of Arizona State University Methods for use of a photobiofuel cell in production of hydrogen and other materials

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014530166A (en) * 2011-09-30 2014-11-17 カウンシル オブ サイエンティフィック アンド インダストリアル リサーチ Method for producing hydrogen and synthesis gas

Also Published As

Publication number Publication date
CA2608870A1 (en) 2007-08-02
AU2006336421A1 (en) 2007-08-02
EP1902130A2 (en) 2008-03-26
CN101512003A (en) 2009-08-19
EP1902130A4 (en) 2009-12-02
WO2007086918A2 (en) 2007-08-02
US20080302669A1 (en) 2008-12-11
WO2007086918A3 (en) 2009-04-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2008539786A (en) Composite nanomaterials for photocatalytic hydrogen generation and methods for their use
Lei et al. Recent advances in biomolecule immobilization based on self-assembly: organic–inorganic hybrid nanoflowers and metal–organic frameworks as novel substrates
Cui et al. Optimization protocols and improved strategies for metal-organic frameworks for immobilizing enzymes: Current development and future challenges
Song et al. Construction of multiple enzyme metal–organic frameworks biocatalyst via DNA scaffold: A promising strategy for enzyme encapsulation
Tavares et al. Laccase immobilization over multi-walled carbon nanotubes: Kinetic, thermodynamic and stability studies
Liu et al. Bio-inspired NADH regeneration by carbon nitride photocatalysis using diatom templates
de Poulpiquet et al. Biohydrogen for a new generation of H2/O2 biofuel cells: a sustainable energy perspective
Tan et al. Electrostatic interaction-induced formation of enzyme-on-MOF as chemo-biocatalyst for cascade reaction with unexpectedly acid-stable catalytic performance
Yuan et al. Strategies for bioelectrochemical CO2 reduction
Lojou Hydrogenases as catalysts for fuel cells: Strategies for efficient immobilization at electrode interfaces
Avnir et al. Enzymes and other proteins entrapped in sol-gel materials
Reisner Solar hydrogen evolution with hydrogenases: from natural to hybrid systems
Cheng et al. Metal–organic framework as a compartmentalized integrated nanozyme reactor to enable high-performance cascade reactions for glucose detection
Jugder et al. Fundamentals and electrochemical applications of [Ni–Fe]-uptake hydrogenases
MARQUES et al. Carbon dioxide/methanol conversion cycle based on cascade enzymatic reactions supported on superparamagnetic nanoparticles
Kim et al. Stability-controllable self-immobilization of carbonic anhydrase fused with a silica-binding tag onto diatom biosilica for enzymatic CO2 capture and utilization
Pan et al. Recent Advances in Bio‐Templated Metallic Nanomaterial Synthesis and Electrocatalytic Applications
Cazelles et al. Hybrid C3N4/Fluorine‐Doped Tin Oxide Electrode Transfers Hydride for 1, 4‐NADH Cofactor Regeneration
Wang et al. A hybrid nanobiocatalyst with in situ encapsulated enzyme and exsolved Co nanoclusters for complete chemoenzymatic conversion of methyl parathion to 4-aminophenol
Wang et al. Novel gold nanozyme regulation strategies facilitate analytes detection
Xu et al. Algal cell bionics as a step towards photosynthesis-independent hydrogen production
Feng et al. Review of covalent organic frameworks for enzyme immobilization: Strategies, applications, and prospects
Zhang et al. Rhodium-based MOF-on-MOF difunctional core–shell nanoreactor for NAD (P) H regeneration and enzyme directed immobilization
WO2006084276A2 (en) Enzyme catalyzed metallic nanoparticle synthesis
Climent et al. Probing the electrocatalytic oxygen reduction reaction reactivity of immobilized multicopper oxidase CueO