爆料:一種可以基因編碼的光敏蛋白質(zhì)
閱讀次數(shù):1178 發(fā)布時間: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。文中報道了該課題組設(shè)計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,中國科學(xué)院院長、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)陽光”可能是解決問題的關(guān)鍵,而實(shí)現(xiàn)液態(tài)陽光的關(guān)鍵在于利用豐富的太陽能,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、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。這種人工設(shè)計的光合蛋白質(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。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)它受到一定波長的光照射時,其激發(fā)態(tài)以近100%的效率系間穿越為壽命較長的三重態(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);诿艽a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。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:
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,諸如太陽能轉(zhuǎn)化、光生物學(xué)、環(huán)境修復(fù)和工業(yè)生物學(xué)等。
上海恒遠(yuǎn)進(jìn)入科研圈已久,為了與廣大科研工作者一起交流科研問題,共同提高,讓您成為真正的科研能手。