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)

自然界經過上億年的演變，已經進化出許多精巧的結構來完成復雜的功能。葉綠體就是自然界進化出的太陽能利用的高級系統。它具有分級組織的結構，能將太陽能轉化為穩定的化學能。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中的酶催化反應偶聯起來1。目前，人們已經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，這不利于級聯反應中底物和電子的傳遞，也會降低整個體系的運行穩定性。因此，如何合理設計和有效構建分級組織體系，模擬天然葉綠體的結構和功能，仍是一個挑戰。

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，相關結果作為Hot paper發表在上4。受胱氨酸生理礦化過程的啟發，他們設計了一種利用金屬離子介導胱氨酸自組裝構建分級組織結構的方法。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構。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，形成產氫的反應中心。還原型輔酶(NADH)可以作為光催化產氫的電子供體，消耗的NADH又可通過乙醇脫氫酶催化乙醇轉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高效偶合。捕光單元能夠吸收光能，并傳遞到催化中心，實現產氫反應。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性。

該研究以自然界中廣泛存在的生物小分子為基元，構筑了在結構和功能上與天然葉綠體類似的組裝體系，實現了太陽能持續的轉化利用和物質合成，為基于超分子自組裝構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同和調控的方法，為仿生體系的設計和創建帶來了新的啟示。

(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

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10.3866/PKU.WHXB201706154