摘要
地球上生命体的形态构成及代谢繁衍等生命活动，与蛋白质及其组装体的参与息息相关。天然界蛋白质通过分子内相互作用维持其三维结构，通过多重共价或非共价分子间相互作用自发组装成尺寸更大、长程有序的蛋白纳米结构，继而参与到生物物质运输、生化反应催化以及分子识别等各种生命活动中去。在自然界的“能量转换器”——天然光捕获系统中，绝大多数能量传递与转移过程也依赖于其色素分子与环境中蛋白质或其组装结构的相互作用而得以实现。为了更好地利用和转化来自太阳的能量，也为了更深刻地理解天然光捕获系统的工作原理，人们一直力求构建高效的人工光捕获系统以更加贴合自然的方式进行探索。天然光捕获系统中的色素分子一般以有序且紧密的方式排布来实现对能量的高效捕获与传递，因而，以合适的模板骨架将发色团进行相似形式的分布，是有效构筑模拟天然光合系统的方式之一。 在众多人工构建的捕光系统模板骨架中，蛋白质自组装纳米材料体现出其独特优势。首先，蛋白质由基因编码翻译，这使其具有很强的可编码和可设计性。运用基因工程技术，人们可以在任何预期的位点引入具有特定功能性的氨基酸，以实现功能位点的活化和蛋白纳米材料的构建。其次，蛋白质组装体在纳米尺度下具有明确、清晰的精细结构，其构筑基元排布精准，是良好限域固定并合理分散荧光发色团的优势材料。此外，光合系统还存在由于需要适应外界极端环境而出现的刺激响应的自我保护行为，这样的可调控功能也可以通过灵活的蛋白质组装构筑策略得以实现：蛋白质内部及其组装体中构筑基元之间的相互作用可以赋予该蛋白纳米材料刺激响应的特性，由此构建出动态可调控的模板骨架有望将光捕获过程加以调控。最后，也是关键的一点，蛋白质与色素分子之间的作用，是天然光捕获系统中最本质、最原始的作用，使用蛋白材料的骨架排布发色团以构筑人工模拟的光合系统，是最贴合自然的一种理想简化模型，在一定程度上可以帮助我们更深刻地理解天然捕光复合物内部的复杂作用。由此，基于蛋白质纳米材料，我们有望从结构、能量传递过程以及物质转化的方面实现一系列对天然光捕获系统的探究与模拟。 本论文旨在基于天然形成或人工制备的蛋白质纳米材料构筑能量逐级传递的人工光捕获系统，并以其实现物质的催化转化。具体地说，我们基于天然被膜蛋白（CsgA）和结构化学性质稳定的SP1轮环状蛋白所形成的组装体蛋白纳米材料；通过理性设计、对蛋白质的融合以及定点突变，构筑一维或二维的蛋白质纳米骨架模板，通过共价或非共价的相互作用将发色团有序锚定在限域的空间内以实现顺次能量传递，并将所收集的能量用于光催化物质转化。此外，利用二硫键对氧化还原环境的刺激响应性，我们研究了所构筑光捕获系统的能量转移“开”“关”特性，并将此特质应用于控制该体系催化性能。 1.基于天然被膜蛋白自组装体构建一维人工光捕获系统 大肠杆菌的淀粉样纤维蛋白是一种由细胞自主分泌后在胞周自发组装形成的卷曲蛋白纤维，通过简化和改造，其亚基之一——CsgA，亦可以实现胞外分泌和自组装。CsgA蛋白易于制备，无须纯化，且其组装过程自发，不需要经过任何特殊的设计和环境的调控即可完成。该蛋白聚集得到的生物被膜蛋白稳定性高，排布规则有序，是构筑人工光捕获系统理想的一维蛋白纳米材料。此处我们将13肽标签SpyTag融合在CsgA蛋白末端，使前者随之表达、分泌、自组装，通过TEM表征了所得的生物被膜纳米纤维。将蓝色和绿色荧光蛋白末端分别融合上可以通过形成异肽键而和SpyTag特异性结合的SpyCatcher蛋白，与被膜纤维蛋白共孵育后，通过共聚焦显微镜以及紫外光照射表征其颜色变化成功证明这两种荧光发色团可以在该特异性识别对的结合驱动下锚定于已构筑的一维蛋白纳米骨架上。在体系中添加曙红Y（EY）染料分子，通过生物吸附的方式使其复合于菌体表面，以限定在荧光蛋白发色团毗邻位置，由于光谱谱带重合情况良好，在该蛋白一维骨架上可以实现由蓝色荧光蛋白传至绿色荧光蛋白，继而顺次传给EY发色团的能量传递过程。我们以荧光和发色团寿命的测定，证实了能量传递过程，并计算出两步能量传递效率分别高达62%和55%。该一维蛋白纳米材料也可作为一种模板骨架用于生物光材料的构筑。 2.基于二维蛋白纳米片构建多步能量传递的人工光捕获系统 在天然的叶绿体中，自然界光能高效捕获、传递与转化的结构先决条件是色素分子在片状类囊体薄膜上进行的限域、精确而有序排布。与线性结构相比，片层式的二维结构其优势不但在于结构上贴近天然的类囊体，也为能量传递提供了更加完备的传递路径，避免因体系单点或局部缺陷而引起的能量传递中断。受此启发，我们以含有特殊孔状结构的SP1蛋白为构筑基元进行设计，构建出二维片层状蛋白质模板。该蛋白具有C6对称结构，且具有很强的热稳定性，是构建蛋白骨架的理想材料，其表面富含的大量负电荷和纳米尺度的中空孔道为其在表面绑定尺寸匹配、电荷相异的发色团提供了结构支持。在其侧表面设计出半胱氨酸以便其氧化条件下交联成为二维片层结构，并以AFM、TEM等手段表征其精细结构，该组装体中蛋白有序排布，为荧光发色团提供了限域的周期性结合位点。此外，考虑到光谱重叠情况和组装可行性我们以两种尺寸合适、表面带有正电的碳点为供、第一受体发色团，继而引入第二受体发色团分子EY，将其共价地修饰在SP1纳米片上，由此构筑出满足能量逐级传递的高效人工光捕获系统，其两步能量传递效率分别高达84%和76%。该二维蛋白质纳米骨架巧妙地将发色团排列在其表面，避免了未知的荧光淬灭，为仿生工作提供了经典的普适结构模型，也为理解天然光合系统能量传递过程提供了新思路。 3.人工光捕获系统的氧化还原刺激-响应可逆调控及应用 天然光合系统通过光合天线将光能捕获并传输至其他色素-蛋白质复合物，最终，能量被运输至反应活性中心以完成其转化和利用。在我们所构筑的满足逐级能量传递的人工光捕获系统中，光能可以被碳点吸收并传递，最终到达第二受体的EY分子。EY分子作为一种小分子染料，其在有机合成中有着极好的光催化性能，这使得它在该光捕获体系中不仅可以充当能量转移的最终受体，也可以同时作为一个反应活性中心从而实现光照条件下的催化物质转化。此外，由于构筑蛋白质片骨架的作用力——二硫键是一种氧化还原刺激响应的动态共价键，该光捕获体系有望实现动态的人工调控。本章工作基于已经成功构建出的二维蛋白质骨架人工光捕获体系，将其应用于光催化耦合交联析氢模型反应，以特征氢的核磁积分之比测定产率。该体系的催化产率高达71%，其性能因拓宽了光谱利用范围而远高于游离的EY分子（产率17%）。此外，二维蛋白质纳米材料的氧化还原刺激响应性能够影响到体系的荧光特征从而影响催化性能，因此，通过改变外部条件，可以人为地调控该人工光捕获体系的催化性能。该体系的实现对模拟天然光合系统的刺激响应性提供了思路，也为构筑生物传感和智能材料提供了应用潜能。
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