人類對能源的需求日益增大，化石燃料的過度消耗帶來了嚴峻的環境汙染和能源危機，而將太陽能這一清潔能源轉化為化學能，已經成了化學和生物學研究領域的重點問題。在 11 月 5 日發表於《自然·化學》（Nature Chemistry）上的最新究中，華人科學家王江雲帶領的團隊設計了一種可以基因編碼的光敏蛋白質，成功模擬了天然光合作用系統吸收光能、催化二氧化碳還原的功能。
圖片來源：CC0 Creative Commons
撰文 王江雲課題組
編輯 令狐鴨
在化石燃料日趨耗竭的情況下，太陽能這種清潔無害、來源豐富的能源已成為人類能源使用的重要部分。中國科學院院長、中科院院士白春禮等曾在《焦耳》（Joule）上
發文
，提出在化石燃料枯竭的未來，“液態陽光”（liquid sunshine）可能是解決問題的關鍵。
而實現液態陽光的關鍵在於利用豐富的太陽能，將能源利用過程中產生的過量排放的二氧化碳重新循環轉化為穩定、可存儲、高能量的化學物質。植物的光合作用系統是一種天然的能源解決方案，它具有清潔、自組裝、可持續和高效的光致電荷分離效率等優勢，受到了科研界的廣泛關注。在這一方向上，目前的研究熱點是：如何利用和模擬光合作用的高光合效率來驅動具有挑戰性的化學轉化。
圖片來源：nbcnews.com
現階段該領域發展的技術挑戰及研究難點在於：天然光合作用系統是由複雜的膜蛋白亞基和多種輔酶組成的，這給研究和應用帶來了不便；光合系統中會產生還原分子 NAD(P)H，但這種分子的還原性較差，不能直接用於還原 CO2；相比化學小分子催化劑，天然光合作用系統具有較低的 CO2還原效率。
為解決這些問題，王江雲團隊在開發基因編碼的人工光合作用系統這一方面一直潛心研究，應用合成生物學方法使其兼具天然光系統和化學小分子催化劑的優勢。這種人工設計的光合蛋白質不僅為研究太陽能的化學轉化提供了新思路，也為具有非天然光催化活性的人工生命體提供了研究基礎。
在前期研究中，王江雲團隊發現：僅有約 27kD 的熒光蛋白可能被改造為類似天然光系統的光合蛋白質。熒光蛋白受光激發後，其發色團可以生成具有高還原活性的物種，這種中間體可以高效地向位於蛋白質 beta 折疊桶外的電子受體傳遞電子；另一方面，應用基因密碼子擴展技術，可以特異性地插入非天然氨基酸取代原組成發色團的酪氨酸。
這使得研究人員可以按照意願設計熒光蛋白的發色團化學結構，優化其吸收光譜、激發態壽命、自由基還原電勢等一系列光化學性質。（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）
這種基於熒光蛋白突變體的高效 CO2光還原蛋白質，設計起來的核心問題在於如何延長在發色團受激發後生成的還原性中間態的壽命，降低它的還原電勢。在這項新的研究中，研究團隊選擇了一種帶有二苯甲酮取代基的酪氨酸類似物（BpA）來改造發色團。
二苯甲酮是一種有機光催化中常用的光敏劑，當它受到一定波長的光照射時，其激發態以近 100% 的效率系間穿越為壽命較長的三重態，進而和犧牲還原劑反應，生成高活性的自由基態，催化下遊氧化還原反應。基於密碼子擴展的方法，在插入BpA改造熒光蛋白的發色團後，新生成的光敏蛋白（PSP）保留了這種特性。
催化機制示意圖
瞬態吸收光譜的研究表明，受光激發後，BpA 組成的新發色團可以幾乎全部轉化為三重態；在和生物相關犧牲還原劑的存在下，三重態中間體快速氧化犧牲還原劑，從而生成自由基態。該自由基被蛋白質骨架保護，因此在沒有氧氣存在的條件下也可以穩定存在 10 分鐘以上。
晶體結構衍射則顯示，PSP 處於自由基狀態時，其發色團呈現出更加擴展的共平面構象，這與紫外-可見吸收光譜檢測得到的紅移吸收結果一致。
另一方面，合成的含有 BpA 發色團小分子的電化學分析表明，所生成的自由基態具有接近 -1.5V 的還原電勢。這不僅滿足了還原 CO2的需求，也低於已知的天然生物還原劑。
在獲得了該光敏蛋白後，研究人員進一步應用化學生物學方法，在 PSP 蛋白表面特定位點引入了一種三聯吡啶鎳配合物，這是一種小分子 CO2電化學還原催化劑。這種雜合蛋白質能夠在光照條件下將 CO2還原成 CO，光量子產率為 2.6%，高於大部分已報導的 CO2光還原催化劑，也就是說基於蛋白質自組裝特性，帶來了電子傳遞的優化和活性的提高。
這種光敏蛋白催化劑具有多種優勢：無重金屬；較易引入各種生物體；通過合理的設計或定向進化有顯著的擴展能力。因此，PSP 具有光敏化多種化學轉化的潛能，涉及的領域也非常多樣，例如太陽能轉化、光生物學、環境修複和工業生物學等。
論文資訊
標題A genetically encoded photosensitizer protein facilitates the rational design of a mi年ture photocatalyticCO2-reducing enzyme
作者Xiaohong Liu, Fuying Kang, Cheng Hu, Li Wang, Zhen Xu, Dandan Zheng, Weimin Gong, Yi Lu, Yanhe Ma & Jiangyun Wang
期刊Nature Chemistry
摘要Photosensitizers, which harness light energy to upgrade weak reductants to strong reductants, are pivotal components of the natural and artificial photosynthesis machineries. However, it has proved difficult to enhance and expand their functions through genetic engineering. Here we report a genetically encoded, 27?kDa photosensitizer protein (PSP), which facilitates the rational design of mi年ture photocatalyticCO2-reducing enzymes. Visible light drives PSP efficiently into a long-lived triplet excited state (PSP*), which reacts rapidly with reduced nicotinamide adenine dinucleotide to generate a super-reducing radical (PSP?), which is strong enough to reduce manyCO2-reducing catalysts. We determined the three-dimensional structure of PSP?at 1.8?? resolution by X-ray crystallography. Genetic engineering enabled the site-specific attachment of a nickel–terpyridine complex and the modular optimization of the photochemical properties of PSP, the chromophore/catalytic centre distance and the catalytic centre microenvironment, which culminated in a mi年ture photocatalyticCO2-reducing enzyme that has aCO2/CO conversion quantum efficiency of 2.6%.
香港九龍灣馬來街興發大廈15樓D室