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化學所在人工模擬線粒體功能方面取得重要進展
2019-04-15 | 編輯:郭杰 | 【 】【打印】【關閉

  以活性生物大分子為構筑基元,利用分子組裝策略,構建具有類生命單元功能的多級組裝體,揭示并調控基本生命活動過程,成為化學、材料與生命科學領域交叉研究前沿。氧化磷酸化是指糖、脂和氨基酸等生物有機分子通過氧化分解驅動生物能量分子ATP生成的過程,是自然界真核細胞能量轉化和化學合成的重要基礎。氧化磷酸化作用一般在多級次結構的線粒體內膜中進行,需要多種活性生物大分子(包括ATP合酶)協同參與,通過系列電子傳遞和質子傳遞,最終產生ATP。長期以來,體外人工構建具有類線粒體功能的組裝體一直是具有挑戰性的難題。 

  在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下,化學所膠體、界面與化學熱力學院重點實驗室李峻柏研究團隊長期致力于活性生物大分子ATP合酶的分子組裝與應用研究,并取得了系列進展。他們利用分子共組裝技術整合ATP合酶與光系統II、光酸分子或量子點,有效模擬了自然界葉綠體的多級次結構,并顯著提升了其光合作用功能(ACS Nano 2016, 10,  556; ACS Nano 2017, 11, 10175; ACS Nano 2018, 12, 1455Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1706557Angew. Chem. Int. Ed. 2017,  56, 12903; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 6532; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 796)。另外,他們利用自組裝單層技術,通過控制跨膜質子梯度形成的動力學,在體外實現了ATP合酶催化合成ATP速率的調控( Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 1110)。 

  基于以上研究工作,他們最近利用可除去模板法,結合界面化學修飾與調控,獲得了固載金納米顆粒的中空介孔二氧化硅微粒,隨后在其表面重組ATP合酶,構筑了一種具有類線粒體功能的多級次組裝體。研究表明,金納米顆粒作為納米酶可催化級聯反應,將葡萄糖轉換為葡萄糖酸,進而產生跨膜質子梯度勢,驅動ATP合酶催化合成ATP。該組裝體系高效模擬了天然線粒體的氧化磷酸化過程,合成ATP的效率與天然線粒體相當。上述體系的建立為生物能量轉換開辟了新途徑,同時對利用人工納米酶構建多級次結構的類生命單元組裝體具有重要啟示。相關研究成果發表在近期的Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 5572-5576 

    

  納米酶催化級聯反應用于模擬線粒體氧化磷酸化過程 

    

   膠體、界面與化學熱力學實驗室 

  2019411 

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