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生物物理地点人工设计光驱动二氧化碳复原酶方面获希望

文章泉源:生物物理研讨所   公布工夫:2018-11-06  【字号:     】  

  11月5日,《天然-化学》(Nature Chemistry)期刊颁发了什么手游能赢利――2018什么手游能赢利――什么手游好玩又赢利生物物理研讨所王江云课题组题为A genetically encoded photosensitizer protein facilitates the rational design of a miniature photocatalytic CO2 reducing enzyme 的研讨文章。文中报道了该课题组设计的一种可以基因编码的光敏卵白质,乐成模仿了自然光互助用体系吸取光能,催化二氧化碳复原的功效。

  比年来,怎样将太阳能转换为化学能曾经成为化学及生物学研讨范畴的重点题目。动物的光互助用体系作为一种自然的办理方案,因其干净、自组装、可连续和高效的光致电荷分散服从等上风遭到遍及存眷。现在,怎样使用和模仿光互助用的高光合服从来驱动具有挑衅性的化学转化是现在的研讨热门。但是,影响该范畴生长的技能挑衅及研讨难点在于:1、自然光互助用体系由庞大的膜卵白亚基和多种辅酶构成,这给研讨和现实使用带来了未便;2、光合体系中孕育发生的复原分子NAD(P)H由于复原力较低不克不及间接用于复原CO2;3、相比化学小分子催化剂,自然光互助用体系的二氧化碳复原服从绝对低下。为办理这些题目,王江云课题组多年来不停努力于使用分解生物学要领,开辟基因编码的人工光互助用体系,使其兼具自然光体系和化学小分子催化剂的上风。这种人工设计的光合卵白质不但可以为研讨挑衅性的化学转化提供新思绪,也为退化具有非自然光催化活性的人工生命体提供研讨底子。

  该研讨组的后期研讨发明,仅有约27kD的荧光卵白具有改革为雷同自然光体系的光合卵白质的潜能。起首,研讨发明荧光卵白受光引发后,其发色团可以天生具有高复原活性的物种,这种中心体可以高服从地向位于卵白质beta折叠桶外的电子受体通报电子。另一方面,使用基因暗码子扩展技能,可以特异性地拔出非自然氨基酸代替原构成发色团的酪氨酸。这使得研讨职员可以感性设计荧光卵白的荧光发色团化学布局,优化其吸取光谱、引发态寿命、自在基复原电势等一系列光化学性子(Angew. Chem. Intl. Ed. 2012, 51, 10261-5;Angew. Chem. Intl. Ed. 2013, 52, 4805-9;J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 , 13094-7;J. Am. Chem. Soc., 2015,137,7270-3)。

  设计基于荧光卵白渐变体的高效二氧化碳光复原卵白质的焦点题目在于怎样延伸其发色团受引发后所天生的复原性中心态的寿命,低落它的复原电势。在该文中,研讨团队挑选了一种带有二苯甲酮代替基的酪氨酸雷同物(BpA)来改革发色团。二苯甲酮是一种无机光催化中常用的光敏剂。当它遭到肯定波长的光照射时,其引发态以近100%的服从系间穿越为寿命较长的三重态。这种三重态进而和捐躯复原剂反响天生高活性的自在基态,催化卑鄙氧化复原反响。基于暗码子扩展要领拔出BpA改革荧光卵白的发色团后,其复活成的光敏卵白(PSP)保存了这种特性。瞬态吸取光谱的研讨评释,受光引发后,BpA构成的新发色团可以险些全部转化为三重态;在有和生物相干捐躯复原剂的存在下,三重态中心体疾速氧化捐躯复原剂从而天生自在基态。该自在基被卵白质骨架掩护,因而在没有氧气存在的条件下可以稳固存在10分钟以上。晶体布局衍射表现,PSP处于自在基形态时其发色团出现出越发扩展的共立体构象,这与紫外-可见吸取光谱检测失掉的红移吸取结果同等。另一方面,分解的含有BpA发色团小分子的电化学剖析评释,所天生的自在基态具有靠近-1.5V的复原电势。这不但满意了复原CO2的需求,也低于已知的自然生物复原剂。

  在得到该光敏卵白后,研讨职员进一步使用化门生物学要领在PSP卵白外貌特定位点引入了一种小分子CO2电化学复原催化剂三联吡啶镍共同物。这种杂合卵白质具有在光照条件下复原二氧化碳天生一氧化碳的活性,光量子产率为2.6%,高于大部门已报道的CO2光复原催化剂。这阐明基于卵白质自组装特性所带来的电子通报优化和活性的进步。该光敏卵白催化剂具有以下上风:1、无重金属;2、可以很容易地引入种种生物体;3、经过公道的设计或定向退化有明显的扩展本领。因而,PSP可以或许潜伏地光敏化多种挑衅性的化学转化,触及的范畴多样,诸如太阳能转化、光生物学、情况修复和产业生物学等。

  该研讨得到国度重点研发方案(2017YFA0503704, 2016YFA0501502)、天然迷信基金委(21750003, 91527302, U1632133, 31628004, 21473237, 31628004)、手游能赢利前沿项目(QYZDB-SSW-SMC032, 15PTCY0020, ZVSM201811092)等的赞助。

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(责任编辑:叶瑞优)

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