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【催化】基于ATP合酶重组纳米结构，光酶催化ATP生成

时间：2023-10-05 来源： 浏览：

【催化】基于ATP合酶重组纳米结构，光酶催化ATP生成

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注：文末有 研究团队简介 及本文 科研思路分析
三磷酸腺苷 (ATP) 是细胞进行生命活动必不可少的能量“货币”。动物细胞内的ATP主要是线粒体通过氧化磷酸化过程产生。生物分子包括葡萄糖、脂质、氨基酸等经过级联酶催化氧化反应生成质子，建立跨膜质子梯度，驱动ATP合酶产生ATP。构建基于ATP合酶的分子仿生系统，可加深理解生物能量转化及其调控的规律，对通过人工干预生物能量转化治疗重要疾病也具有启示意义。
在国家自然科学基金委和中国科学院的支持下， 中国科学院化学研究所 胶体、界面与化学热力学院重点实验室 李峻柏 研究团队在ATP合酶的可控组装与功能调控研究方面取得了一系列原创性研究成果，引领了国际相关领域的研究。
最近，该研究团队 利用层层分子组装技术，在聚合物微胶囊壳上通过静电相互作用引入半导体g- C 3 N 4 超薄纳米片（光酶），发现其在光照下能催化氧化葡萄糖转化葡萄糖酸，形成由内而外的质子梯度势，进而驱动嵌膜ATP合酶转动催化合成ATP (如图1所示)。该工作实现了光驱动氧化磷酸化过程，创立了生物能量转换新范式。

图1. 仿生反应器的构建以及光驱动氧化磷酸化过程示意图。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Photozyme-Catalyzed ATP Generation Based on ATP Synthase-Reconstituted Nanoarchitectonics
Zibo Li, Fanchen Yu, Xia Xu, Tonghui Wang, Jinbo Fei*, Jingcheng Hao, and Junbai Li*
J. Am. Chem. Soc ., 2023 , DOI: 10.1021/jacs.3c06090
李峻柏研究员简介
李峻柏，中国科学院化学研究所研究员。长期从事胶体与界面科学研究，开展生物分子马达体外重组、多维度模拟细胞器结构与功能以及多组分协同作用与应用研究，短肽分子组装与解组装及其结构转变调控、分子间相互作用及其光电性质的研究。1997年入选中科院“百人计划”；1998年获国家人事部“优秀回国留学人员奖”；1999年获国家自然科学基金委“杰出青年基金”资助；2000年获香港求是基金会“杰出青年学者奖”；2002年获“第六届中国科学院杰出青年”称号；2004年入选首批“新世纪百千万人才工程国家级人选”；2004年获中国分析测试协会科学技术奖二等奖；2016年获JCIS-DARSH WASAN国际胶体与界面科学“杰出科学成就”奖；2017年获日本化学会(CSJ) Lectureship Award奖；2017年获中国化学会中国软物质研究杰出贡献奖；2019年当选瑞典皇家工程科学院外籍院士。现担任 Colloids and Surfaces A 主编、 Current Opinion in Colloid and Interface Science 专题编辑、 Biointerphases 和化学学报编委、 Soft Matter、JCIS 等期刊的国际顾问编委，国际胶体与界面学会、亚洲胶体与界面学会常务理事以及中国化学会胶体与界面专业委员会主任。
https://www.x-mol.com/university/faculty/15516
费进波研究员简介
致力在胶体与界面化学领域开展生物分子组装及功能调控的基础研究工作。以生物分子为组装基元，开发分子组装新策略，可控构筑多层次有序生物分子组装体，理解和调控生命体能量转化、物质输运与信号传递，开发新型功能生物材料，用于重要疾病的治疗或干预。已在国际核心学术期刊上发表论文86篇，其中第一及通讯作者论文36篇，包括 J. Am. Chem. Soc. (1)、 Angew. Chem. Int. Ed. (10)、 CCS Chem. (1)、 Adv. Mater . (2)、 ACS Nano (3)、 Adv. Funct. Mater. (1)和 Small (1)。论文SCI总引用近5700次。合作撰写了4部综述性章节。已获授权中国发明专利5项，技术转让1项。2008年荣获湖北省科技进步一等奖，2016年入选中国科学院青年创新促进会会员，2017年荣获黑龙江省高校科技进步一等奖与黑龙江省自然科学二等奖，3次获得中国科学院化学研究所青年科学奖特别优秀奖。2023年起任中国科学院特聘骨干研究岗位，2023年4月年入选中国化学会高级会员。 Nano Materials Science （IF：9.9，Q1）首届青年编委会委员。2023年8月入选北京市科学技术委员会、中关村科技园区管理委员会科技项目评审专家库。作为负责人主持5项国家自然科学基金项目和4项化学所培育计划项目，作为项目核心骨干参与多项国家重点基础研究发展计划和国际重点合作基金。
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A： 我们课题组长期致力于分子仿生研究，特别是在生物能量转化系统的构建（仿生叶绿体或线粒体）及其人工干预方面。根据以上研究基础，本项研究最初试图在生物能量转化模式上实现跨界性突破，也就是说我们构建的仿生线粒体可以利用自然界叶绿体光合作用方式来将光能转化为生物能ATP，是生物能量转化调控或干预的新方法。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A： 本工作的研究过程中遇到了许多挑战。例如，如何克服半导体g- C 3 N 4 超薄纳米片与聚合物分子巨大的尺寸差异性构筑结构完整的微胶囊？如何在构筑过程中利用聚合物分子来增强g- C 3 N 4 超薄纳米片的催化氧化性能？这些问题对选用合适的聚合物分子作为微胶囊反应器壁材提出了挑战。结合以往二十年的研究经验，通过系列筛选，最终我们引入具有强静电作用的PSS来提升微胶囊的稳定性保证其结构完整性，采用聚电解质PEI与g- C 3 N 4 超薄纳米片之间的电荷转移来增强其光酶活性。
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