三磷酸腺苷（ATP）作为最重要的能量货币，在调节化学合成，信号传导和物质运输等能量相关代谢过程中发挥着重要作用。自然界中，ATP主要由线粒体和叶绿体通过跨膜质子梯度驱动ATP合酶生成。组装化学为人工合成特定分子以及构筑高性能多层次结构材料提供了关键策略。中国科学院化学研究所李峻柏研究团队与山东大学李强、丹麦奥胡斯大学董明东研究团队合作在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Oriented Nanoarchitectonics of Bacteriorhodopsin for Enhancement of ATP Generation of FoF1-ATPase Based Assembly System” 的原创工作。设计了结构和功能与天然叶绿体相近的人工组装体，成功构建了仿叶绿体催化反应器，模拟生物催化反应器功能的人工光合反应体系，所获得的跨膜质子梯度高效地驱动了ATP合酶合成ATP能量分子。该工作的技术难点是实现了细菌视紫红质（BR）在基于生物分子马达重组体系中的定向排列，有效提高了ATP能量分子的合成效率。该方法突破了质子依靠浓度差迁移的局限，实现了光照条件下质子在膜内外的定向迁移，为提高生物分子马达ATP合酶的能量合成效率开辟了新途径。
图1 BR构建的人工组装体调控ATP能量合成示意图 其工作原理如图1所示。BR以内膜朝向微胶囊内侧定向排列在与聚电解质构建的微胶囊中，光照条件下，BR将质子从其内膜一侧迁移至外膜，在微胶囊支撑的磷脂双分子层内外建立质子梯度势，驱动重组在生物膜中的生物分子马达ATP合酶，将二磷酸腺苷（ADP）与无机磷酸（Pi）合成为ATP。 图2 BR在微胶囊上的定向排列 该体系以BR在硅烷偶联剂kh-550修饰后的云母上的排列为模型验证BR在微胶囊上的分布。实验表明，电负性较高的BR内膜更倾向于吸附在修饰后带正电的云母上，暴露在外的外膜与带负电的原子力显微镜针尖之间的排斥力更小，成像时高度较低。基于此推断出BR的内膜更倾向于吸附在带正电的聚电解质上，实现BR在微胶囊上的定向排列（如图2所示）。 图3 BR微胶囊体系的pH值变化及人工组装体的ATP的生成量以及速率 该体系构建了不同层数的BR微胶囊。实验表明，在光照条件下随着BR层数增加，体系ΔpH值逐渐升高，且当BR层数为三时，ΔpH达到最大值。以三层BR微胶囊为例，光照驱使BR搬运的质子在微胶囊内外形成了质子梯度势，进而驱动生物分子马达ATP合酶催化合成ATP（如图3所示）。 图4 QDs引入体系后的pH变化及ATP的生成量以及速率 作者将与BR吸收光谱匹配的量子点（QDs）引入BR微胶囊后，发现QDs的引入提升了体系的ΔpH值，进而增加了该人工组装体合成ATP的产量（如图4所示），提高了光能转化效率。该研究工作通过以定向排列的BR微胶囊支撑重组的生物分子马达，实现了质子的定向迁移和生物能量分子的可控合成，建立了人工光合作用新体系，为实现太阳能的高效利用开辟了新途径。 论文信息： Oriented Nanoarchitectonics of Bacteriorhodopsin for Enhancement of ATP Generation of FoF1-ATPase Based Assembly System Zibo Li+, Xia Xu+, Fanchen Yu, Jinbo Fei, Qiang Li*, Mingdong Dong*, and Junbai Li* Angewandte Chemie International Edition
