爆料:一種可以基因編碼的光敏蛋白質(zhì)
閱讀次數(shù)：1182 發(fā)布時(shí)間：2018/11/15 11:52:53
目前，如何利用和模擬光合作用的高光合效率來驅(qū)動(dòng)具有挑戰(zhàn)性的化學(xué)轉(zhuǎn)化是目前的研究熱點(diǎn)。來自中科院生物物理所的研究人員發(fā)表了題為“A genetically encoded photosensitizer protein facilitates the rational design of a miniature photocatalytic CO2 reducing enzyme” 的研究文章。文中報(bào)道了該課題組設(shè)計(jì)的一種可以基因編碼的光敏蛋白質(zhì)，成功模擬了天然光合作用系統(tǒng)吸收光能，催化二氧化碳還原的功能。
近年來，如何將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能已經(jīng)成為化學(xué)及生物學(xué)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)問題。9月19日，中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)、中科院院士白春禮等在《焦耳》雜志發(fā)文，提出在化石燃料枯竭的未來，“液態(tài)陽(yáng)光”可能是解決問題的關(guān)鍵，而實(shí)現(xiàn)液態(tài)陽(yáng)光的關(guān)鍵在于利用豐富的太陽(yáng)能，將能源利用過程中產(chǎn)生的過量排放的二氧化碳重新循環(huán)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、可存儲(chǔ)、高能量的化學(xué)物質(zhì)。植物的光合作用系統(tǒng)作為一種天然的解決方案，因其清潔，自組裝，可持續(xù)和高效的光致電荷分離效率等優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注。
目前，如何利用和模擬光合作用的高光合效率來驅(qū)動(dòng)具有挑戰(zhàn)性的化學(xué)轉(zhuǎn)化是目前的研究熱點(diǎn)。然而，影響該領(lǐng)域發(fā)展的技術(shù)挑戰(zhàn)及研究難點(diǎn)在于：1、天然光合作用系統(tǒng)由復(fù)雜的膜蛋白亞基和多種輔酶組成，這給研究和實(shí)際應(yīng)用帶來了不便；2、 光合系統(tǒng)中產(chǎn)生的還原分子NAD(P)H由于還原力較低不能直接用于還原CO2；3、相比化學(xué)小分子催化劑，天然光合作用系統(tǒng)的二氧化碳還原效率相對(duì)低下。
為解決這些問題，王江云課題組多年來一直致力于應(yīng)用合成生物學(xué)方法，開發(fā)基因編碼的人工光合作用系統(tǒng)，使其兼具天然光系統(tǒng)和化學(xué)小分子催化劑的優(yōu)勢(shì)。這種人工設(shè)計(jì)的光合蛋白質(zhì)不僅可以為研究挑戰(zhàn)性的化學(xué)轉(zhuǎn)化提供新思路，也為進(jìn)化具有非天然光催化活性的人工生命體提供研究基礎(chǔ)。
該研究組的前期研究發(fā)現(xiàn)，僅有約27kD的熒光蛋白具有改造為類似天然光系統(tǒng)的光合蛋白質(zhì)的潛能。首先，研究發(fā)現(xiàn)熒光蛋白受光激發(fā)后，其發(fā)色團(tuán)可以生成具有高還原活性的物種，這種中間體可以高效率的向位于蛋白質(zhì)beta折疊桶外的電子受體傳遞電子。
另一方面，應(yīng)用基因密碼子擴(kuò)展技術(shù)，可以特異性的插入非天然氨基酸取代原組成發(fā)色團(tuán)的酪氨酸。這使得研究人員可以理性設(shè)計(jì)熒光蛋白的熒光發(fā)色團(tuán)化學(xué)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其吸收光譜，激發(fā)態(tài)壽命，自由基還原電勢(shì)等一系列光化學(xué)性質(zhì)。（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）
設(shè)計(jì)基于熒光蛋白突變體的高效二氧化碳光還原蛋白質(zhì)的核心問題在于如何延長(zhǎng)其發(fā)色團(tuán)受激發(fā)后所生成的還原性中間態(tài)的壽命，降低它的還原電勢(shì)。在本文中，研究團(tuán)隊(duì)選擇了一種帶有二苯甲酮取代基的酪氨酸類似物（BpA）來改造發(fā)色團(tuán)。二苯甲酮是一種有機(jī)光催化中常用的光敏劑。當(dāng)它受到一定波長(zhǎng)的光照射時(shí)，其激發(fā)態(tài)以近100%的效率系間穿越為壽命較長(zhǎng)的三重態(tài)。這種三重態(tài)進(jìn)而和犧牲還原劑反應(yīng)生成高活性的自由基態(tài)，催化下游氧化還原反應(yīng)。基于密碼子擴(kuò)展方法插入BPa改造熒光蛋白的發(fā)色團(tuán)后，其新生成的光敏蛋白（PSP）保留了這種特性。瞬態(tài)吸收光譜的研究表明，受光激發(fā)后，Bpa組成的新發(fā)色團(tuán)可以幾乎全部轉(zhuǎn)化為三重態(tài)；在有和生物相關(guān)犧牲還原劑的存在下，三重態(tài)中間體快速氧化犧牲還原劑從而生成自由基態(tài)。該自由基被蛋白質(zhì)骨架保護(hù)，因此在沒有氧氣存在的條件下可以穩(wěn)定存在10分鐘以上。晶體結(jié)構(gòu)衍射顯示，PSP處于自由基狀態(tài)時(shí)其發(fā)色團(tuán)呈現(xiàn)出更加擴(kuò)展的共平面構(gòu)象，這與紫外-可見吸收光譜檢測(cè)得到的紅移吸收結(jié)果一致。
另一方面，合成的含有BpA發(fā)色團(tuán)小分子的電化學(xué)分析表明，所生成的自由基態(tài)具有接近-1.5V的還原電勢(shì)。這不僅滿足了還原CO2的需求，也低于已知的天然生物還原劑。
在獲得了該光敏蛋白后，研究人員進(jìn)一步應(yīng)用化學(xué)生物學(xué)方法在PSP蛋白表面特定位點(diǎn)引入了一種小分子CO2電化學(xué)還原催化劑三聯(lián)吡啶鎳配合物。這種雜合蛋白質(zhì)具有在光照條件下還原二氧化碳生成一氧化碳的活性，光量子產(chǎn)率為2.6%，高于大部分已報(bào)道的CO2光還原催化劑。這說明了基于蛋白質(zhì)自組裝特性所帶來的電子傳遞優(yōu)化和活性的提高。該光敏蛋白催化劑具有以下優(yōu)勢(shì)：
1、無重金屬；2、可以很容易地引入各種生物體；3、通過合理的設(shè)計(jì)或定向進(jìn)化有顯著的擴(kuò)展能力。因此，PSP能夠潛在地光敏華多種挑戰(zhàn)性的化學(xué)轉(zhuǎn)化，涉及的領(lǐng)域多樣，諸如太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化、光生物學(xué)、環(huán)境修復(fù)和工業(yè)生物學(xué)等。
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