基于SP1环状蛋白自组装构筑人工光捕获天线

【摘要】光能是自然界中生命体存在的能量基础。在自然界中，光能被植物、藻类和光合细菌通过光合作用转化成化学能。为了利用光合作用捕光过程的原理将太阳光能转化为化学能，以取代煤、石油等不可再生资源，人们做了大量工作模拟光捕获天线。目前人工模拟光捕获天线主要有两种方式：利用卟啉分子的光学特性以及自组装能力，通过卟啉-卟啉分子之间的能量传递模拟光捕获系统；或是选择其他的供体/受体对，将其搭载在一些稳定的纳米结构上，使供体与受体按照一些特定顺序排列成相隔特定间距的结构，从而模拟光捕获天线。随着蛋白质自组装研究的深入，人们开始通过利用蛋白质组装体作为框架结构模拟光捕获天线。蛋白质是自然界中生物体的重要的组成部分，是一种理想的作为光捕获天线的框架结构。利用蛋白质组装体模拟光捕获天线，其结构更接近天然状况下的光捕获天线结构，能更好的模拟其结构，解释光捕获现象，而且使其具有了超分子聚合物的许多特性，使设计的光捕获系统具有了潜在应用性。本文利用一种直径10nm左右的环状蛋白SP1与一种中心交联，表面带有正电荷的胶束形成线状组装体结构，再将一对荧光供体/受体对（DPA/EY）引入其结构中，来模拟天然LH2中的光捕获天线的结构。SP1的蛋白环装结构与天然的LH2分子具有很高的相似性，在适当的位置引入荧光物质，得到一种类似天然光捕获系统结构的人工模拟光捕获系统，使其同样具有像天然光捕获系统的高能量传递效率，这也会为人们今后设计利用光捕获系统提供更广阔的思路。1.胶束诱导SP1蛋白形成规则纳米线结构本文首先利用定点突变PCR的方法对SP1蛋白进行改造，将蛋白表面84位的Ala突变成Cys，为SP1蛋白表面引入了一个可以进行蛋白定点修饰的巯基。通过原核表达纯化的方法得到大量突变体蛋白SP1A84C，并使用SDS-PAGE电泳、MALDI-TOF-MS等方法对其进行表征分析。对SP1蛋白表面电荷分布特点进行分析，在SP1环状蛋白之间引入一种表面带有正电荷的胶束分子，通过正负电荷相互作用的方式，使二者交替排列成为纳米线结构。为此我们合成了可以在水溶液中自组装形成球状胶束结构的两亲性分子（AUTEAB），通过加入交联剂使其中心交联后得到结构稳定的的胶束分子。通过调整水溶液中胶束与蛋白的浓度及比例，得到了线性组装体。最后利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、透射电子显微镜、动态光散射仪等多种手段对纳米线组装体结构进行了表征以及对组装机理的研究与阐述。2.利用纳米线结构作为骨架的光捕获系统的建立选择DPA与EY两种荧光分子，作为荧光共振能量转移的供体/受体对。合成DPA分子，再对DPA进行溴代，使其与SP1A84C蛋白表面的巯基进行反应得到SP1A84C-DPA。再对EY[Na+]进行酸化处理得到EY，使其亲疏水性发生改变，从而使其包裹在胶束分子中得到AUTEAB-EY。通过MALDI-TOF-MS、动态光散射等方法证明荧光分子成功的与蛋白及胶束结合。之后设计了一系列SP1A84C-DPA(荧光供体)/AUTEAB-EY(荧光受体)相互滴加实验以及对照试验，成功证明了光捕获天线的成功设计构建。之后通过计算证明了该体系模拟的光捕获天线系统具有较高的能量传递效率。
【作者】张晰宇；
【导师】刘俊秋；
【作者基本信息】吉林大学，高分子化学与物理，2014，硕士
【关键词】超分子化学；SP1蛋白；蛋白质自组装；纳米线；光捕获天线；

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