基于蛋白质组装体的光捕获系统：模拟天然叶绿体

自然界中，叶绿体依靠光合作用维持着绿色植物和藻类的生命活动。其中，类囊体表面的光合色素通过荧光共振能量转移过程实现了能量的传递，为光合作用提供了能量基础。那么，有没有可能在体外设计出这样的光捕获系统来模拟这一过程，从而更好地了解光合作用呢？近日，吉林大学的刘俊秋（点击查看介绍）团队通过酶催化蛋白质组装的方法建立基本骨架，构筑了一套完整的光捕获系统来模拟叶绿体。

近年来，由于人工光捕获系统在太阳能电池、光传感器以及光催化等方面的重要应用，越来越多的科研团队致力于这一系统的研究。人们发展了多种多样的分子骨架，希望实现高效的能量转移过程。其中存在的两个主要问题是构筑光捕获系统的路线大多复杂费时，同时难以避免因聚集淬灭造成的能量损失。如何发展一种简单的方法来构筑高效的叶绿体模拟物是一项重大的挑战。

吉林大学的刘俊秋团队发展的基于酶催化构建蛋白质组装体的光捕获系统在这一领域取得了很大进展。由于蛋白质本身的生物亲和性使得它在构建叶绿体模拟物方面有着特殊的优势。为了避免“脆弱”的蛋白质在极端条件下发生变性，他们发展了一种温和的酶催化蛋白质共价组装的新方法，控制蛋白质形成规则有序的纳米阵列。作者选择了具有高度稳定性的SP1蛋白作为构筑基元，该蛋白特殊的C₆对称双层结构使其具有很强的可设计性，通过计算机模拟辅助，在环状SP1蛋白上筛选合适的位点进行基因突变，引入反应基团酪氨酸（Tyr）。他们还通过辣根过氧化物酶（HRP）特异性催化Tyr发生共价偶联，诱导蛋白质分别组装成一维的纳米管及二维的纳米片层结构。这个片层的尺寸可达几百个纳米，而厚度只有几个纳米，与叶绿体中类囊体的结构十分类似。

众所周知，叶绿体中进行光合作用的色素主要分布在类囊体表面的膜上。受到自然界的启发，他们考虑将荧光分子引入到片层表面使其发生有效的能量转移过程。SP1的另一个突出的特点是在中性条件时上下表面带有大量的负电荷。因此，他们设计合成了表面带正电的CdTe量子点，它的荧光发射波长具有很好的尺寸依赖性。通过选择两种合适尺寸的荧光量子点与SP1纳米片层静电组装，使球状的量子点有序地“坐”在片层的表面上，很好地解决了光捕获系统中聚集淬灭造成的能量损失问题。通过荧光发射光谱、荧光寿命曲线以及透射电镜的测试，证明了这个光捕获系统的成功构建，同时发现能量可以先在供体量子点QD1之间进行传递，再传递到邻近的受体量子点QD2上。这些片层表面的量子点与天然类囊体表面的色素分子发挥着相同的荧光共振能量转移功能，使这个体系同时在结构和功能上很好地模拟了天然的叶绿体，人们对光合作用的探究更近了一步。同时，这种人工的叶绿体模拟物可以作为能量传递的通用模板，为接下来的析氢以及光动力学疗法等实际应用提供了可能。

这一成果近期发表在ACS Nano 上，文章的第一作者是吉林大学博士研究生赵琳璐。

该论文作者为：Linlu Zhao, Haoyang Zou, Hao Zhang, Hongcheng Sun, Tingting Wang, Tiezheng Pan, Xiumei Li, Yushi Bai, Shanpeng Qiao, Quan Luo, Jiayun Xu, Chunxi Hou, Junqiu Liu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Enzyme-Triggered Defined Protein Nanoarrays: Efficient Light-Harvesting Systems to Mimic Chloroplasts

ACS Nano, 2017, 11, 938−945, DOI: 10.1021/acsnano.6b07527

刘俊秋教授简介

刘俊秋，男，教授，博士生导师。国家基金委杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授。1987年毕业于吉林大学化学系，1999年在吉林大学化学系高分子专业分别获理学硕士和博士学位。2002-2003年获洪堡基金资助在德国从事博士后研究。2004年获吉林省“首批拔尖创新人才”称号，同年入选教育部“新世纪优秀人才培养计划”。2005年入选吉林省创新人才工程。2010年获得吉林省有突出贡献的中青年专业技术人才称号。2011年被评选为吉林省高级专家。主持或参加了多项国家863、973、自然基金重点研究项目等。近年来在Chem. Soc. Review、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed 等杂志已发表SCI研究论文100余篇，获得吉林省科技进步一等奖1项（排名第一）。现任吉林省化学会高分子化学专业委员会主任，Open Journal of Polymer Chemistry 和 Journal of Polymer Science & Research Updates 顾问编委。主要研究方向：仿生化学、蛋白质组装与功能化、生物超分子、纳米生物材料，包括分子识别与仿酶、人工纳米通道、蛋白质组装与自组装技术方法、蛋白质药物设计等研究。

http://www.x-mol.com/university/faculty/10930