高度有序的荧光蛋白纳米阵列：生物启发的人工光捕获系统

光合作用是生命之基础，为地球上一切生物的生存和发展提供了物质和能量基础。以天然光捕获系统为灵感，基于人工超分子材料构筑的人工光捕获系统不仅为发展新型先进功能材料、解决能源危机提供了可能，反之对进一步深入研究和理解天然光合系统的复杂结构和功能机制具有指导意义。

为了提高光捕获效率，首先应该考虑的问题是如何将发色团的聚集淬灭效应最小化。尽管模板策略为消除自淬灭提供了一种有效的方法，但是这些模板能够提供的染料结合位点却非常有限。如何能在有效消除自淬灭造成的能量损失的前提下保证染料高密度排列是该领域当前面临的重要挑战之一。

深海中腔肠动物发出的星点绿光是荧光素酶和绿色荧光蛋白间非辐射共振能量传递的结果。事实证明腔肠动物表现出如此显著的能量迁移有赖于局部高浓度的荧光素酶和绿色荧光蛋白。这启示着生物进化很可能赋予了荧光蛋白极其优异的抗自淬灭性能。受此启发，吉林大学的刘俊秋（点击查看介绍）团队发展的基于荧光蛋白纳米阵列的光捕获系统在这一领域取得了很大进展。他们选用EBFP2和EGFP分别作为能量的供体和受体，通过在蛋白质侧表面设计四边形的结合位点将组装模式锚定下来，利用共价相互作用与蛋白质-蛋白质相互作用协同驱动，控制蛋白质沿正交方向组装形成棋盘状的二维纳米阵列。该方法将大量的发色团密集有序地组织起来，无需借助模板，也无需耗时的合成过程。高分辨透射电镜测试表明荧光蛋白在组装体中排列密集，取向一致，分布均匀，是一种理想的光捕获模型。

与有机染料不同，荧光蛋白拥有独特的“核-壳”结构。外部紧密排列的β折叠桶不仅将发色团与外部环境隔离开来，保证了荧光性质的稳定性，还尽可能地避免了相邻发色团近距离相互作用而引起的自淬灭。荧光蛋白这一优异的抗自淬灭特性赋予了共同组装系统良好的光捕获能力。荧光发射光谱和荧光寿命曲线均证明该光捕获系统被成功构建。自组装形成的二维光捕获蛋白质纳米片具有多个能量传递路径，吸收的能量可以先在供体之间进行传递，随后再传递至邻近的受体。不仅如此，相邻发色团之间的距离是连续可调的。通过对连接子的长度做出微小改变，他们还实现了对组装体尺寸的显著控制。最终获得了微米尺寸的光捕获系统。

总而言之，这项工作发展了一个完全基于荧光蛋白的无模板的光捕获系统，该系统克服了使用模板带来的限制。此外，荧光蛋白这一生物优化的“核-壳”结构特征为进一步优化染料分子的光学性质提供了独特思路。

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李秀梅。

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Template-Free Construction of Highly Ordered Monolayered Fluorescent Protein Nanosheets: A Bioinspired Artificial Light-Harvesting System

Xiumei Li, Shanpeng Qiao, Linlu Zhao, Shengda Liu, Fei Li, Feihu Yang, Quan Luo, Chunxi Hou, Jiayun Xu, Junqiu Liu

ACS Nano, 2019, 13, 1861−1869, DOI: 10.1021/acsnano.8b08021

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理事， Journal of Polymer Chemistry 和 Journal of Polymer Science & Research Updates 等杂志顾问编委。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。

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