Adv. Funct. Mater.：自組裝分級有序結構，實現高效的光合磷酸化
?【引言】
分子自組裝是一種“自下而上”制備功能性納米和微米結構的方法，由此得到的結構通常具備獨特的物理化學性能。近來，研究人員利用分子自組裝和疊層自組裝（LbL）制備了很多人造仿生系統。但是，利用簡便方法制備具有分級有序結構的仿生體系，仍然是一個很大的挑戰。
光合磷酸化是光合生物中實現能量轉化的重要步驟，其兩個關鍵組成部分是光系統II（PSII）和三磷酸腺苷（ATP）合成酶。雖然人工光合磷酸化研究已久，但是有助于提高人工光合磷酸化的分級有序結構仍沒有開發出來。
【成果簡介】
近日，中科院膠體與界面化學熱力學重點實驗室的李俊柏教授（通訊作者）等人利用模板自組裝和疊層自組裝方法，參考天然植物葉子的結構規律，制備了具有分級有序結構的仿生體系。光照下，該高度有序光吸收結構中PSII分解水，并產生質子和電子；然后，形成明顯的質子梯度；最終實現高效的光合磷酸化。該研究成果發表在Advanced Functional Materials上，題為“Bioinspired Assembly of Hierarchical Light-Harvesting Architectures for Improved Photophosphorylation”。
【圖文導讀】
圖1 分級有序的光吸收結構及其自組裝過程的示意圖
（A）分級有序的光吸收結構的自組裝過程示意圖
????????（i）聚合物電解質多層膜的LbL自組裝；
??????? （ii）PSII-溶膠凝膠的注入；
??????? （iii）聚碳酸酯（PC）模板的移除；
???????? （iv）ATP合成酶-脂質體涂層；
（B）分級有序的光吸收結構以及相關光合磷酸化過程的示意圖。該仿生系統中，聚合電解質多層膜作為支架，猶如天然植物葉子中柱狀細胞殼。PSII和ATP合成酶分別被劃分在硅溶膠凝膠中和聚合物電解質多層膜上。
圖2 基于PSII溶膠凝膠的三明治結構支架的微觀形貌
（A）PSII溶膠凝膠@聚合物電解質微管陣列的示意圖以及單個微管的TEM照片；
修飾后的聚合物電解質微管陣列的（B）橫斷面SEM照片，（C）斜視面SEM照片；
（D）移除上層聚合物電解質薄膜之前和（E）之后，微管陣列的SEM照片；
（F）單個微管的EDX圖譜以及其中S、N、Si和Mn元素的分布圖。
圖3 光學測試以及不同條件下的光還原活動
（A）含有PSII的溶膠凝膠@PAH/PSS的CLSM俯視圖；
（B）溶膠凝膠（含有PSII）修飾后的單個聚合物電解質微管的CLSM圖片；
（C）不同時間下，DCPIP的UV-Vis圖譜；
（D）不同條件下，溶膠凝膠（含有PSII）@PAH/PSS相對于DCPIP的光還原活動：光照條件（紅色曲線）和黑暗條件（藍色曲線）。
圖4 光合磷酸化實驗
（A）分級光吸收結構和（B）葉綠體的光合磷酸化實驗；
（B）葉綠體和人工合成系統中相應的ATP產生速率；
不同條件下，人工合成系統的ATP產生速率：（D）黑暗條件下、（E）PSII和DCMU抑制劑存在條件下、（F）解聯劑CCCP存在條件下。其中的插圖表示相關生物化學過程的示意圖。
【小結】
本研究中，研究人員利用模板引導的分子自組裝與LbL自組裝結合，制備了分級有序的光吸收結構，并展現出高效的光合磷酸化。光合磷酸化的兩個組成部分（PSII和ATP合成酶）通過劃區方式融合起來。類似于植物葉子的細胞層組織，該人工合成結構中，水被PSII分解，在脂質體膜內外形成顯著的質子梯度，驅動ATP合成酶合成ATP；并最終實現高效的光合磷酸化。ATP的生成速率為13.5 × 10?6 M mgchl?1 min?1，相較于自然植物的葉綠體，提高了14倍。該研究提供了一種制備生物反應器的新方式，并有助于提高太陽能和化學能的轉化效率。
?文獻鏈接：Bioinspired Assembly of Hierarchical Light-Harvesting Architectures for Improved Photophosphorylation（Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201706557）
本文由材料人編輯部納米學術組maggi供稿，材料牛整理。
材料人網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。
歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。
投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。
材料測試、數據分析，上測試谷！
文章評論(0)