生物分子自組裝的仿生葉綠體：光酶催化反應及燃料合成

韓布興

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生物分子自組裝的仿生葉綠體：光酶催化反應及燃料合成

韓布興

(中國科學院化學研究所，膠體、界面與化學熱力學實驗室，北京 100190)

自然界經(jīng)過上億年的演變，已經(jīng)進化出許多精巧的結(jié)構(gòu)來完成復雜的功能。葉綠體就是自然界進化出的太陽能利用的高級系統(tǒng)。它具有分級組織的結(jié)構(gòu)，能將太陽能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學能。具體而言，捕光單元和電子傳遞鏈排布在類囊體膜上，后者堆疊形成基粒，其上的光催化反應可以與基質(zhì)中的酶催化反應偶聯(lián)起來1。目前，人們已經(jīng)制備出許多分級組織的光催化體系2。然而，上述制備過程大多需要高溫和有機溶劑，這限制了與生物活性酶分子的整合。在現(xiàn)有的人工光酶催化反應體系中，酶分子一般以游離形式存在3，缺少分子尺度上的耦合，這不利于級聯(lián)反應中底物和電子的傳遞，也會降低整個體系的運行穩(wěn)定性。因此，如何合理設計和有效構(gòu)建分級組織體系，模擬天然葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能，仍是一個挑戰(zhàn)。

最近，中國科學院過程工程研究所閆學海研究員課題組，利用生物小分子自組裝制備了仿生葉綠體，相關結(jié)果作為Hot paper發(fā)表在上4。受胱氨酸生理礦化過程的啟發(fā)，他們設計了一種利用金屬離子介導胱氨酸自組裝構(gòu)建分級組織結(jié)構(gòu)的方法。獲得的三維球形晶體由對稱的納米棒堆疊組成，這類似于葉綠體中的基粒結(jié)構(gòu)。在自組裝形成微球的過程中，捕光的卟啉分子和乙醇脫氫酶可以排布在納米棒上，從而被包覆到微球中。鉑納米顆粒可在微球上原位還原，形成產(chǎn)氫的反應中心。還原型輔酶(NADH)可以作為光催化產(chǎn)氫的電子供體，消耗的NADH又可通過乙醇脫氫酶催化乙醇轉(zhuǎn)化為乙醛的反應再生。這模擬了葉綠體中光酶催化反應的基本原則。

在上述構(gòu)建的仿生葉綠體中，葉綠體中的最小功能單元—捕光分子、催化中心和酶分子，能夠通過分子自組裝實現(xiàn)高效偶合。捕光單元能夠吸收光能，并傳遞到催化中心，實現(xiàn)產(chǎn)氫反應。酶催化單元能為光催化反應提供再生的電子供體，從而提高了整體的催化效率和可持續(xù)性。

該研究以自然界中廣泛存在的生物小分子為基元，構(gòu)筑了在結(jié)構(gòu)和功能上與天然葉綠體類似的組裝體系，實現(xiàn)了太陽能持續(xù)的轉(zhuǎn)化利用和物質(zhì)合成，為基于超分子自組裝構(gòu)建仿生光合體系提供了一個新思路。更為重要的是，該研究提出的基于生物分子作用力協(xié)同和調(diào)控的方法，為仿生體系的設計和創(chuàng)建帶來了新的啟示。

(1) Raines, C. A.2003,, 1. doi: 10.1023/A:1022421515027

(2) Li, X.; Yu, J.; Jaroniec, M.2016,, 2603. doi: 10.1039/C5CS00838G

(3) Choudhury, S.; Baeg, J. O.; Park, N. J.; Yadav, R. K.2012,, 11624. doi: 10.1002/ange.201206019

(4) Liu, K.; Yuan, C. Q.; Zou, Q. L.; Xie, Z. C.; Yan, X. H.2017, doi: 10.1002/anie.201704678

Chloroplast Mimics Based on Biomolecular Self-Assembly：Photoenzymatic Reactions and Fuel Synthesis

HAN Buxing

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10.3866/PKU.WHXB201706154