多肽/蛋白質基納米材料在能源中的應用

王蒙 張全 高慧鵬

摘 ? ? ?要：生物系統(tǒng)因其可高效的產生、利用并儲存能量的獨特性能，近些年來成為能量生產和存儲的新材料。本文從多肽及蛋白質的獨特結構出發(fā)，介紹了二者在能源領域中應用的基本情況，論述了蛋白質與無機材料的雜化結構在燃料電池中的應用，以及天然蛋白質超分子作為模板合成新的能源材料。最后總結了多肽/蛋白基生物材料在能源領域中應用的研究趨勢。

關 ?鍵 ?詞：多肽;蛋白質;能源

中圖分類號：TQ464.7 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）10-2318-04

Abstract： ?In recent years， biological system has become a new material for energy production and storage because of its unique ability to efficiently generate， utilize and store energy. Based on the unique structure of peptide and protein， the application of peptide and protein in energy field were introduced in this paper. The application of hybrid structure of protein and inorganic material in fuel cell and the synthesis of new energy raw material using natural protein supramolecule as template were also discussed. Finally， the research trend of peptide/protein-based biomaterials in energy field was summarized.

Key words： Peptide; Protein; Energy

在生物學系統(tǒng)中，能量傳遞涉及能量分子的多步氧化還原作用，如ATP、煙酰胺和黃素輔酶因子。傳統(tǒng)方法合成的能源裝置通常是利用一步反應轉化和儲存能源[1-2]，過程簡單，但能量轉換效率非常低。與傳統(tǒng)的合成方法不同，生物系統(tǒng)是通過若干個能壘較低的步驟逐步從反應物傳遞至產物，由于每一步的反應能壘都很小，且熱擴散過程中沒有過多損耗，因此可以實現(xiàn)較高的能源轉化效率，然而生物系統(tǒng)自身低穩(wěn)定性和低效率的電荷傳輸問題則是限制其大規(guī)模應用的兩大瓶頸。另外，最近的研究發(fā)現(xiàn)，光合系統(tǒng)中色素分子在太陽能吸收傳輸過程存在量子相干性[3]。雖然現(xiàn)在還不確定常溫條件下是否存在量子相干性，但是最近的實驗表明理解生物學能源轉化和傳導過程需要將量子力學考慮在內。而傳統(tǒng)的能源裝置中，設計和效率計算均可以通過經典熱力學過程實現(xiàn)。

生物能源體系的一個關鍵特征是與路徑密切相關，這是由系統(tǒng)中的分子結構和序列特異性氧化還原電位決定的，因此基于生物機制的研究可以開發(fā)出更高效的能量轉換和儲存策略。作為一種自下而上的生物材料制備方法，多肽分子精準的層級自組裝使其在生物電子器件領域受到越來越多的關注。與無機材料相比，多肽/蛋白質基材料具有生物相容性好、天然可降解、易于修飾等特點。多肽和蛋白質可以作為納米材料生長的模板以形成復雜的結構，同時自身也可以作為功能納米材料。隨著多肽和蛋白質作為能源系統(tǒng)的活性成分的直接使用，利用其作為定向裝配和模板合成重要能源材料的技術正成為廣大科研工作者的研究熱點。本文主要綜述了多肽/蛋白質基納米材料在能源領域的應用。

1 ?自組裝多肽在能源領域中的應用

多肽自組裝體及其衍生物可以形成形貌各異的多層結構，包括納米管[4]、納米纖維[5]、納米片[6]、納米帶[7]、納米球/膠以及三維網(wǎng)絡結構[8]等?；诙嚯牡囊粋€優(yōu)勢是通過合理地選擇和使用氨基酸，多肽可以有目的地編碼需要的幾何參數(shù)，使自組裝體具有相應的物理化學性質。這些方法的設計原則主要集中在調控多肽的兩親性、周期性排列順序、側鏈基團相互作用和電荷分布。許多綜述中都闡述了多肽自組裝結構與序列的相互依存性[9]。

由于多肽固有的生物相容性，同時可實現(xiàn)精準的納米結構調控。相對于其他材料，其具有更高的比表面積以及較高的電導率和優(yōu)異的機械性能，是潛在的超級電容器中理想的電極材料，能夠提高器件的整體電容性能。李子剛[10]等設計合成了一種二肽，其可以在水溶液中自組裝成水凝膠，該水凝膠可以作為超級電容器電極材料使用，通過測試C-V曲線，水凝膠電容具有雙層電容的特征，并且其交流阻抗小，是良好的導體材料，循環(huán)充放電一萬次以后，該水凝膠電容量仍舊可以保持75%以上。

另外，由于多肽可以提供高比表面，通過修飾無機物的方法可以獲得新穎的功能[10]。無機材料可以利用特定的相互作用或者靜電相互作用結合到多肽自組裝體上應用于能源領域。例如，將電化學活性物質涂在多肽自組裝形成的納米纖維上，可以得到鋰電池的電極[11]或者超級電容器[12]。KANG[13]等的研究表明，基于多肽的礦化納米纖維在循環(huán)過程中表現(xiàn)出很高的可逆容量和良好的容量保持率，與傳統(tǒng)材料相比，這些多肽基材料表現(xiàn)出的更加優(yōu)異的性能主要歸因于特殊的納米結構和高比表面積。

光捕獲基團功能化的自組裝肽為太陽能轉換開辟了道路。多肽可以通過自組裝形成穩(wěn)定的α-螺旋束和纖維結構，從而創(chuàng)造了良好的金屬卟啉陣列，通過合理的設計可以將合成的發(fā)色團結合到α-螺旋肽和β-折疊肽上進一步實現(xiàn)太陽能的轉換[14]。SPRINGER[15]等構建了一個由合成的發(fā)色團和光捕獲細菌的多肽類似物組成的生物混合體系，該系統(tǒng)通過由合成的發(fā)色團到天然多肽的光合成天線的能量傳遞，實現(xiàn)了對太陽光譜的增強覆蓋。

2 ?蛋白質工程在能源領域中的應用

蛋白質組裝提供了制備獨特超分子結構的有效方法，與多肽自組裝相比，蛋白質的復雜折疊往往需要更加詳細地了解大片段蛋白復合物的三維結構以及在原子水平上更加熟練的操作方法。LUBNER[16]等在光捕獲基團和氫化酶間插入了一個分子導線，通過消除電子轉移傳遞步驟中電子擴散的方法提高了量子產率。TOPORIK[17]等證實了緊密堆積光合系統(tǒng)I（PS I）蛋白可以在導電基質上產生高光電壓。

生物燃料電池是利用自然界中的微生物（真正起作用的是其中的酶）或酶為催化劑，將燃料中的化學能轉換為電能。酶代謝過程通常包含多個反應步驟，其中一種酶的產物是另一種酶的底物。因此，級聯(lián)過程增加了人工環(huán)境中的反應速率，酶可以通過酶偶聯(lián)獲得的代謝通道繼續(xù)發(fā)揮作用。葡萄糖、甲醇、乙醇、乳酸和丙酮酸等燃料的氧化過程均有了很大量的研究。如PALMORE[18]等設計了一個用于產生能量的酶級聯(lián)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用乙醇脫氫酶、乙醛脫氫酶和甲酸脫氫酶將甲醇完全氧化為二氧化碳，同時產生6個電子。

膜蛋白同樣可以用于能源生產。在壓力阻尼滲透（PRO）細胞中高水選擇性膜可以將壓力梯度轉化為電。為了獲得高效的鹽梯度能量，需要具有高脫鹽率和高水通量的膜。水通道蛋白能嵌入高鹽排斥的細胞膜中，為了提高機械穩(wěn)定性，首次將水通道蛋白與ABA三嵌段共聚物結合，再把這種水通道蛋白-聚合物混合物涂覆在纖維素乙酸酯或者聚碳酸酯這樣的多孔膜上，通過此方法得到的雜化仿生膜表現(xiàn)出高的鹽截留率[19]。

3 ?蛋白質和無機材料混合結構

蛋白質和人工合成無機材料的混合結構在太陽能發(fā)電領域受到了廣泛的關注。太陽能燃料可轉化成高能量化合物的形式，如氫、一氧化碳、甲酸和甲醇等[20]。生物光驅動太陽能燃料依賴天然酶作為催化劑，如金屬蛋白酶氫化酶可以催化質子和電子和H2之間可逆相互轉化，在許多微生物中CO2還原酶、一氧化碳脫氫酶（CODH）可以促進CO的生成。

酶和無機材料的混合物可以被用來代替人造太陽能發(fā)電過程中使用的貴金屬催化劑，這些雜化結構是氫化酶通過共價鍵的形式直接吸附在導電電極材料上形成的。[FeFe]-氫化酶吸附到石墨和碳氈電極邊緣可以作為電池陰極集成在電池中，通過這種方式得到電池的陰極電流是鉑電池陰極電流的40%[21]。通過碳納米管和酶表面間的酰胺鍵相互作用，氫化酶可以共價結合到單壁納米管和多壁納米管上，得到穩(wěn)定的生物混合物[22]。研究表明[23]當氫化酶固定到單壁納米管后，氫化酶-單壁納米管混合物的催化活性可以提高一個數(shù)量級，這是由酶活性位點與電極表面之間的電子耦合增強造成的。酶在電極上的電化學研究是其作為生物燃料電池催化劑的基礎，如何將酶固定在電極表面并且保持活性不變也是研究的重點。

通過與光捕獲劑雜交的方法可以制備用于生產H2的光催化劑。[NiFeSe]-氫化酶嫁接到釕染色敏化的TiO2上，實現(xiàn)了室溫條件下高效且穩(wěn)定的可見光驅動生產H2[24]。UTSCHIG[25]等的研究表明，當Pt納米顆粒吸附在絕緣的PS I上，PS I/Pt混合物可以在可見光激發(fā)下產生H2。GRIMME[26]等人利用 ?PS I/二硫酚/Pt雜化得到的生物雜化分子，其H2生產速率是312 μmol·[（mg Chl） ·h]-1。

另外，將生物材料與納米晶體雜化可以用于光輔助還原CO2，將一氧化碳脫氫酶直接集成到RuP染料敏化的TiO2納米晶體[27]或者CdS納米晶體 ? 上[28]，RuP-TiO2-CODH混合物利用酶的雙電子還原途徑，避免了熱力學上不利的一步電子活化能壘。由于CdS處于較低的導帶位置，使得CODS-CdS納米晶雜化系統(tǒng)可以為CO2還原生產CO提供更大的驅動力[28]。

4 ?蛋白質超分子結構

酶可以作為活性組分參與到能量轉化系統(tǒng)中，某些蛋白質超分子也可以作為模板引導組裝與合成功能納米材料。病毒是天然存在的超分子，大小在20～800 nm，其蛋白質外殼是由相同的亞單位蛋白質自組裝形成并具有精確的三維排列。病毒可以被用作模板合成電化學能源器件，應用于鋰電池[29]、太陽能電池[30]和水分解電池[31]中。

M13病毒有著很高的長徑比，其直徑約6.5 nm，長度約880 nm，包含5個可修飾的保護蛋白。以M13病毒為模板，合成了以無水FePO4為正極材料和Au-Ag合金為負極材料的鋰離子電池[32]。為了獲得更高的功率，將M13病毒改造成一部分具有可與單壁納米管結合、另一部分可促進a-FePO4成核的多肽基團，將負載無定型磷酸鐵（a-FePO4）的病毒連接到單壁納米管上，得到的電化學活性材料實現(xiàn)了真正在納米尺度上的電連接并獲得了高的電性 能[33]。這種納米尺度的接線平臺作為導電框架被進一步應用在二維石墨烯片層上[34]。M13病毒本身顯示出了能量收集的可能性，其具有壓電特性，可以用來產生電能。利用M13病毒的這種特性，研制了一種自組裝病毒薄膜式壓電發(fā)電機。病毒的偶極子強度是壓電響應，由主要外殼蛋白的基因工程控 ?制[35]。

TMV是一種桿狀管狀病毒，長300 nm，外徑18 nm，中心空腔直徑4 nm。垂直排列的TMV可以作為一種新型三維制造模板用于制備高表面積電極系統(tǒng)[36]。由于TMV獨特的生物結構，涂覆在三維TMV模板上的由硅/鎳涂層組成的復合陽極展示出較高的存儲容量和良好的充放電循環(huán)穩(wěn)定性。

淀粉樣蛋白由于其廣泛的氫鍵網(wǎng)絡，對蛋白酶有很強的抗性，因此具有良好的生物穩(wěn)定性和生物兼容性。通過對淀粉樣蛋白序列表面進行修飾來獲得固定基團，可以為特殊應用提供一種新的制造方法[37]。

5 ?結 論

在自然界高效的能源生成、儲存和傳輸系統(tǒng)中，具有精密結構的蛋白質復合物在其中扮演著重要的角色。在過去的十幾年里，利用蛋白質基納米材料合成生物能源系統(tǒng)的研究取得了顯著的進展。肽和蛋白質的可自組裝和識別特性以及其獨特的納米結構，已被用于多孔電極材料的控制合成。在太陽能電池、生物燃料電池、光電化學電池、太陽能燃料發(fā)電和鋰電池等領域的應用研究表明，生物蛋白在能源系統(tǒng)中具有廣泛的用途。為了更好地利用這些多肽/蛋白基材料的優(yōu)勢，需要進一步豐富蛋白 ? 質/多肽功能。未來蛋白質基納米材料在能源領域中的應用研究，將集中在實現(xiàn)實際器件所需的工程策略中。但是，在苛刻條件下大規(guī)模生產工程蛋白和蛋白質基材料的長期穩(wěn)定性方面仍存在較大挑戰(zhàn)。

參考文獻：

[1]MCCONNELL I， LI G， BRUDVIG G W. Energy conversion in natural and artificial photosynthesis[J]. Chemistry & biology， 2010， 17（5）： 434-447.

[2]TACHIBANA Y， VAYSSIERES L， DURRANT J R. Artificial photosynthesis for solar water-splitting[J]. Nature Photonics， 2012， 6（8）： 511-518.

[3]COLLINI E，WONG C Y， WILK K E， et al. Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature[J]. Nature， 2010， 463（7281）： 644-647.

[4]ZHAO Y， YANG W， WANG D， et al. Controlling the Diameters of Nanotubes self‐assembled from designed peptide bolaphiles[J]. Small， 2018， 14（12）： 1703216.

[5]WANG M， ZHOU P， WANG J， et al. Left or right： how does amino acid chirality affect the handedness of nanostructures self-assembled from short amphiphilic peptides？[J]. Journal of the American Chemical Society， 2017， 139（11）： 4185-4194.

[6]CAO M， LU S， ZHAO W， et al. Peptide self-assembled nanostructures with distinct morphologies and properties fabricated by molecular design[J]. ACS applied materials & interfaces， 2017， 9（45）： 39174-39184.

[7]CHEN C， ZHANG Y， FEI R， et al. Hydrogelation of the short self- assembling peptide I3QGK regulated by transglutaminase and use for rapid hemostasis[J]. ACS applied materials & interfaces， 2016， ? 8 （28）： 17833-17841.

[8]WANG M，WANG J， ZHOU P， et al. Nanoribbons self-assembled from short peptides demonstrate the formation of polar zippers between β-sheets[J]. Nature communications， 2018， 9（1）： 5118.

[9]ZHAO Y， YANG W， CHEN C， et al. Rational design and self-assembly of short amphiphilic peptides and applications[J]. Current opinion in colloid & interface science， 2018， 35： 112-123.

[10]李子剛，胡寬，江意祥. 一種二肽水凝膠及其制備方法和應用：中國， CN 106632591 A[P]. 2017-05-10.

[11]TAO K， HU W， XUE B， et al. Bioinspired stable and photoluminescent assemblies for power generation[J]. Advanced Materials， 2019， 31（12）： 1807481.

[12]CHEN X， GERASOPOULOS K， GUO J， et al. Virus-enabled silicon anode for lithium-ion batteries[J]. ACS nano， 2010， 4（9）： 5366-5372.

[13]BEKER P， ROSENMAN G. Bioinspired nanostructural peptide materials for supercapacitor electrodes[J]. Journal of Materials Research， 2010， 25（8）： 1661-1666.

[14]RYU J， KIM S W， KANG K， et al. Mineralization of self‐assembled peptide nanofibers for rechargeable lithium ion batteries[J]. Advanced Materials， 2010， 22（48）： 5537-5541.

[15]FRY H C， GARCIA J M， MEDINA M J， et al. Self-assembly of highly ordered peptide amphiphile metalloporphyrin arrays[J]. Journal of the American Chemical Society， 2012， 134（36）： 14646-14649.

[16]SPRINGER J W， PARKES-LOACH P S， REDDY K R， et al. Biohybrid photosynthetic antenna complexes for enhanced light-harvesting[J]. Journal of the American Chemical Society， 2012， 134（10）： 4589-4599.

[17]LUBNER C E， GRIMME R， BRYANT D A， et al. Wiring photosystem I for direct solar hydrogen production[J]. Biochemistry， 2009， 49（3）： 404-414.

[18]TOPORIK H， CARMELI I， VOLOTSENKO I， et al. Large photovoltages generated by plant photosystem I crystals[J]. Advanced Materials， 2012， 24（22）： 2988-2991.

[19]PALMORE G T R， BERTSCHY H， BERGENS S H， et al. A methanol/dioxygen biofuel cell that uses NAD+-dependent dehydrogenases as catalysts： application of an electro-enzymatic method to regenerate nicotinamide adenine dinucleotide at low overpotentials[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry， 1998， 443（1）： 155-161.

[20]WANG H， CHUNG T S， TONG Y W， et al. Highly permeable and selective pore-spanning biomimetic membrane embedded with aquaporin Z[J]. Small， 2012， 8（8）： 1185-1190.

[21]TRAN P D， WONG L H， BARBER J， et al. Recent advances in hybrid photocatalysts for solar fuel production[J]. Energy & Environmental Science， 2012， 5（3）： 5902-5918.

[22]HAMBOURGER M， GERVALDO M， SVEDRUZIC D， et al. [FeFe]-hydrogenase- catalyzed H2 production in a photoelectro- chemical biofuel cell[J]. Journal of the American Chemical Society， 2008， 130（6）： 2015-2022.

[23]ALONSO-LOMILLO M A， R?DIGER O， MAROTO-VALIENTE A， et al. Hydrogenase-coated carbon nanotubes for efficient H2 oxidation[J]. Nano Letters， 2007， 7（6）： 1603-1608.

[24]SVEDRUZIC D， BLACKBURN J L， TENENT R C， et al. High-performance hydrogen production and oxidation electrodes with hydrogenase supported on metallic single-wall carbonnanotube networks[J]. Journal of the American Chemical Society， 2011， 133（12）： 4299-4306.

[25]REISNER E， POWELL D J， CAVAZZA C， et al. Visible light-driven H2 production by hydrogenases attached to dye-sensitized TiO2 nanoparticles[J]. Journal of the American Chemical Society， 2009， 131（51）： 18457-18466.

[26]UTSCHIG L M， DIMITRIJEVIC N M， POLUEKTOV O G， et al. Photocatalytic hydrogen production from noncovalent biohybrid photosystem I/Pt nanoparticle complexes[J]. The Journal of Physical Chemistry Letters， 2011， 2（3）： 236-241.

[27]GRIMME R A， LUBNER C E， GOLBECK J H. Maximizing H2 production in Photosystem I/dithiol molecular wire/platinum nanoparticle bioconjugates[J]. Dalton Transactions， 2009 （45）： 10106-10113.

[28]WOOLERTON T W， SHEARD S， REISNER E， et al. Efficient and clean photoreduction of CO2 to CO by enzyme-modified TiO2 nanoparticles using visible light[J]. Journal of the American Chemical Society， 2010， 132（7）： 2132-2133.

[29]CHAUDHARY Y S， WOOLERTON T W， ALLEN C S， et al. Visible light-driven CO2 reduction by enzyme coupled CdS nanocrystals[J]. Chemical communications， 2012， 48（1）： 58-60.

[30]LEE Y J， BELCHER A M. Nanostructure design of amorphous FePO4 facilitated by a virus for 3V lithium ion battery cathodes[J]. Journal of Materials Chemistry， 2011， 21（4）： 1033-1039.

[31]DANG X， YI H， HAM M H， et al. Virus-templated self-assembled single-walled carbon nanotubes for highly efficient electron collection in photovoltaic devices[J]. Nature Nanotechnology， 2011， 6（6）： 377.

[32]NAM Y S， MAGYAR A P， LEE D， et al. Biologically templated photocatalytic nanostructures for sustained light-driven water oxidation[J]. Nature nanotechnology， 2010， 5（5）： 340.

[33]LEE Y J， LEE Y， OH D， et al. Biologically activated noble metal alloys at the nanoscale： for lithium ion battery anodes[J]. Nano letters， 2010， 10（7）： 2433-2440.

[34]LEE Y J， YI H， KIM W J， et al. Fabricating genetically engineered high-power lithium-ion batteries using multiple virus genes[J]. Science， 2009， 324（5930）： 1051-1055.

[35]OH D， DANG X， YI H， et al. Graphene sheets stabilized on genetically engineered M13 viral templates as conducting frameworks for hybrid energy‐storage materials[J]. Small， 2012， 8（7）： 1006-1011.

[36]LEE B Y， ZHANG J， ZUEGER C， et al. Virus-based piezoelectric energy generation[J]. Nature nanotechnology， 2012， 7（6）： 351-356.

[37]ROYSTON E， GHOSH A， KOFINAS P， et al. Self-assembly of virus- structured high surface area nanomaterials and their application as battery electrodes[J]. Langmuir， 2008， 24（3）： 906-912.

[38]CHOI Y S， KIM J， BHAK G， et al. Photoelectric protein nanofibrils of α-synuclein with embedded iron and phthalocyanine tetrasulfonate[J]. Angewandte Chemie International Edition， 2011， 50（27）： 6070-6074.