自然界生命的许多重要新陈代谢过程由大量精密而灵巧的生物分子马达完成。近年来,借助这些天然分子机器的生物活性,利用分子组装技术,科学家能构筑多种生物功能器件,以模拟生物体中信息存储、能量转化和物质输运,已成为化学与生物科学交叉研究的热点。旋转生物分子马达,三磷酸腺苷合成酶在跨膜质子梯度的推动下合成ATP,为生物体的生命活动提供所需能量。

以活性生物大分子为构筑基元,利用分子组装策略设计与构建仿生体系,模拟或调控生命体基本单元的结构和功能,已成为化学与生命科学交叉的前沿和热点。生命体活动所必需的能量来源是三磷酸腺苷,一般情况下由旋转生物分子马达蛋白ATP合酶在跨膜质子梯度势的推动下合成。

自然界的细胞生命活动主要是通过生物分子马达协同运动来完成。近年来,以活性生物分子马达为构筑基元,利用分子组装技术,构建复杂的类细胞器结构,能很好地模拟细胞内的物质传递、能量转化和信息存储,已成为化学与生命科学交叉的研究热点。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下,中科院化学研究所胶体、界面与化学热力学院重点实验室李峻柏课题组长期致力于ATP合酶分子马达的超分子组装与应用研究,取得了系列进展。该研究组率先将ATP合酶重组在类细胞膜结构的微胶囊表面,成功实现了马达蛋白的体外重组和ATP的合成(Angew.
Chem. Int. Ed.
2007,46,
6996)。在此基础上又构建了一系列基于ATP合酶分子马达的组装体系(Adv.
Mater.
2008, 20, 601; Adv. Mater. 2008, 20, 2933; Chem. Soc.
Rev.
2009, 38, 2292; ACS Nano2016, 10, 556)。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下,中科院化学研究所胶体、界面与化学热力学重点实验室研究员李峻柏课题组长期致力于生物分子马达ATP合酶的分子组装与应用研究,并取得了系列进展。该研究团队将ATP合酶与光系统II、人工光酸分子或量子点进行共组装,实现了对自然界叶绿体结构的有效模拟和功能的大幅度提升(ACS
Nano
2016,10,556;ACS Nano2017, 11,10175; ACS Nano2018, 12,1455;Adv.
Funct. Mater.
2018, 28,1706557;Angew. Chem. Int. Ed.2017,56,12903;
Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57,6532; Angew. Chem. Int.
Ed.
2019,58,796)。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下,中科院化学研究所胶体、界面与化学热力学重点实验室研究员李峻柏课题组科研人员长期致力于ATP合酶分子马达的分子组装研究,并取得了系列进展。该课题组将ATP合酶分子马达和光系统II进行体外重组,通过结构设计与分区组装,有效模拟了自然界光合作用中光能到生物能的转化(ACS
Nano
2016, 10, 556; ACS Nano 2018, 12, 1455; Adv. Funct. Mater.
2018, 28,
1706557)。进一步将ATP合酶分子马达与光酸分子共组装,可显著提高太阳能向化学能的转化效率(ACS
Nano
201788必发,, 11, 10175; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 12903)。

最近,他们利用分子组装技术,将光酸分子与ATP合酶分子马达共组装,在光照下实现了ATP的高效合成。这一组装体系有效地模拟了叶绿体中光系统II与ATP合酶分子构成的光合作用体系,该体系的构建为有效利用光能提供了新途径。

最近,他们将含有生物分子马达ATP合酶的脂质体铺展在溅射有裸金纳米颗粒的玻璃表面,构筑了一种简易而有效的薄膜型微反应器。研究表明,硫醇分子的引入导致硫醇-金表面自组装单层膜的形成,同时产生跨膜质子梯度,进而驱动ATP合酶催化合成ATP。硫醇的种类决定体系中质子梯度形成的动力学,进而调控ATP的合成速率。上述组装的生物分子马达体系将合成的有机小分子转化为生命能量分子ATP,为进一步大面积能量采集及构建ATP驱动的生物分子器件奠定了重要基础。相关研究成果发表在近期的Angew.
Chem. Int. Ed.
2019, 58, 1110。

最近,他们利用分子组装技术,将ATP合酶分子马达、光系统II与量子点共组装,通过量子点发光提升光系统II催化分解水的能力,进而加速ATP合酶分子马达旋转催化合成ATP。这一复杂的组装体系,准确地模拟了自然界中光合作用的能量转换过程,为有效地利用光能提供了新途径。相关研究成果发表于近期的Angew.
Chem. Int. Ed.
2018, 57, 6532。

相关研究成果发表在近期的《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed. 2017,
56,12903)上。

88必发 1

88必发 2

88必发 3

自组装单层技术用于调控生物能量分子的合成

组装的生物分子马达杂化体系增强光转换效率

人工-自然杂化分子机器体系用于增强光合磷酸化