Nanoscale Protein Assemblies from a Circular Permutant of the Tobacco Mosaic Virus
AbstractFull Text HTMLHi-Res PDF[4506 KB]PDF w/ Links[565 KB]Supporting Info
Michel T. Dedeo, Karl E. Duderstadt, James M. Berger and Matthew B. Francis*
Department of Chemistry, University of California, Berkeley, and Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratories, Berkeley, California 94720-1460
Nano Lett., 2010, 10 (1), pp 181186
DOI: 10.1021/nl9032395
Publication Date (Web): November 19, 2009
Copyright © 2009 American Chemical Society
* To whom correspondence should be addressed. E-mail:
francis@cchem.berkeley.edu.
Abstrac
The protein coat of the tobacco mosaic virus (TMV) has been explored extensively for the construction of nanoscale architectures. In previous work, we have reported efficient TMV-based light harvesting systems bearing chromophores in a hollow channel of the assembled protein. We have also reported an N-terminal transamination/oximation method that could be used to attach electrodes and catalytic groups to the exterior surface of the rods. To complement these techniques, we report herein a new circular permutant of the TMV capsid protein that repositions the N- and C-termini to the center of the assemblies. This protein can be produced in very high yield through E. coli expression and self-assembles into light harvesting rods that are much like those assembled from the wild-type protein. However, the disks formed from the permutant structure are stable over a significantly wider pH range, greatly improving the practicality of this assembled form for materials applications. The new position of the N-terminus allows functional groups to be installed in the inner pore of the disks, affording geometries reminiscent of natural photosynthetic systems. The permutant also shows the ability to coassemble with regular monomers, allowing the future generation of multicomponent rod structures that are modified on the exterior and interior surfaces, as well as in the internal RNA channel.
เป็นที่ทราบกันดีว่าพืชมีระบบจัดเก็บแสงอาทิตย์มาเพื่อทำการสังเคราะห์แสง ซึ่งระบบการทำงานในส่วนนี้ของพืชก็ถือได้ว่าเป็นระบบที่มีประสิทธิภาพมาก ทำให้นักวิทยาศาสตร์เกิดแนวคิดในการประยุกต์ใช้และพัฒนาระบบเพื่อนำเอาต้นยาสูบมาเป็นตัวช่วยในการผลิตโซล่าเซลล์เพื่อนำเอาพลังงานแสงอาทิตย์มาใช้งาน
ผลงานการศึกษาวิจัยชั้นนี้เป็นผลงานของนักวิทยาศาสตร์จาก UC Berkeley นำทีมโดยแมท ฟรานซิส ซึ่งทีมนักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาถึงระบบการเก็บกักพลังงานแสงอาทิตย์ของต้นยาสูบว่ามีขั้นตอนเป็นอย่างไร มีประสิทธิภาพมากแค่ไหน ที่สำคัญการดึงเอาพลังงานแสงอาทิตย์ที่เก็บจากต้นยาสูบมาใช้งานสามารถทำได้โดยวิธีการใด ซึ่งเทคโนโลยีนี้ถ้าเสร็จสมบูรณ์และนำไปใช้ในอุปกรณ์เกี่ยวกับระบบโซล่าเซลล์ก็จะทำให้ลดต้นทุนของอุปกรณ์ไปได้มาก แถมยังได้อุปกรณ์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้นอีกด้วย
วีธีการนำเอาแสงอาทิตย์ที่เก็บกักในต้นยาสูบมาใช้งานคือเริ่มต้นจากการปรับเปลี่ยนพันธุกรรมของไวรัส TMV (Tobacco mosaic virus) มาเป็นตัวทำหน้าที่หลัก นักวิทยาศาสตร์ทำการฉีดพ่นพวกไวรัสที่ผ่านการปรับเปลี่ยนพันธุกรรมแล้วไปยังต้นพืช ไวรัสจะทำหน้าที่จัดการกับเซลล์ของพืชให้สร้างโครงสร้างเคมีที่เกี่ยวกับการเกิดสีของโมเลกุลมากขึ้นเป็นจำนวนมาก ซึ่งโครงสร้างเคมีเหล่านี้จะทำหน้าที่เปลี่ยนโฟตอนจากแสงอาทิตย์ไปเป็นอิเลกตรอน
ประสิทธิภาพของโครงสร้างเคมีจะมีมากถ้าระยะห่างของโครงสร้างทางเคมีเกี่ยวกับการเกิดให้สีของโมเลกุลที่ระยะที่เหมาะสม ไม่ใกล้กันจนเกินไป ซึ่งเซลล์ของต้นยาสูบมีลักษณะพิเศษที่มีการจัดวางของโครงสร้างในระยะห่างที่เท่าๆกัน และเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ จึงทำให้การเก็บกักพลังงานแสงอาทิตย์มาใช้งานทำได้ในปริมาณที่เยอะ
ในส่วนของการสร้างกระแสไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ที่เก็บได้โดยต้นยาสูบนั้น จะมีการเก็บเกี่ยวต้นพืชและดึงเอาโครงสร้างเคมีออกมาทำการละลายในสารละลายเฉพาะ จากนั้นก็ฉีดพ่นไปยังแผ่นแก้วหรือแผ่นพลาสติกผสม ที่เป็นตัวทำหน้าที่สร้างโซล่าเซลล์
ข้อดีของการใช้ส่วนประกอบของพืชเป็นตัวสร้างโซล่าเซลล์มีหลายอย่าง ไม่ว่าจะเป็นการที่เราไม่ต้องใช้พวกสารเคมีที่บางตัวเป็นพิษมาเป็นวัสดุในการสร้าง ราคาก็ถูกกว่ามาก แต่ก็ต้องยอมรับว่าอายุการใช้งานของแผงโซล่าเซลล์ที่ทำจากส่วนประกอบของพืชอาจจะไม่ยาวนานเท่าโซลล่าเซลล์ที่ทำมาจากซิลิคอน
ในรายละเอียดของงานวิจัยจะมีการเพิ่มเติมในส่วนของการสาธิตวิธีการสร้างโครงสร้างเคมี choromophore หรือโครงสร้างเคมีที่เกี่ยวกับการเกิดสีของโมเลกุลโดยการใช้แบคทีเรีย E.Coli ที่ผ่านการปรับเปลี่ยนรูปแบบพันธุกรรม แทนการใช้ไวรัส TVM
โดย ธนัช
รายละเอียดเพิ่มเติมสามารถเข้าไปดูได้ที่
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl9032395?prevSearch=%255Bauthor%253A%2Bmatthew%2Bfrancis%255D&searchHistoryKey=
