以活性生物大分子为构筑基元，利用分子组装策略，构建具有类生命单元功能的多级组装体，揭示并调控基本生命活动过程，成为化学、材料与生命科学领域交叉研究前沿。氧化磷酸化是指糖、脂和氨基酸等生物有机分子通过氧化分解驱动生物能量分子ATP生成的过程，是自然界真核细胞能量转化和化学合成的重要基础。氧化磷酸化作用一般在多级次结构的线粒体内膜中进行，需要多种活性生物大分子（包括ATP合酶）协同参与，通过系列电子传递和质子传递，最终产生ATP。长期以来，体外人工构建具有类线粒体功能的组装体一直是具有挑战性的难题。
　　在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，化学所胶体、界面与化学热力学院重点实验室李峻柏研究团队长期致力于活性生物大分子ATP合酶的分子组装与应用研究，并取得了系列进展。他们利用分子共组装技术整合ATP合酶与光系统II、光酸分子或量子点，有效模拟了自然界叶绿体的多级次结构，并显著提升了其光合作用功能（ACS Nano2016,10,556;ACS Nano2017, 11,10175; ACS Nano2018, 12,1455;Adv. Funct. Mater.2018, 28,1706557;Angew. Chem. Int. Ed.2017,56,12903; Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57,6532; Angew. Chem. Int. Ed.2019,58,796）。另外，他们利用自组装单层技术，通过控制跨膜质子梯度形成的动力学，在体外实现了ATP合酶催化合成ATP速率的调控（ Angew. Chem. Int. Ed.2019,58,1110）。
　　基于以上研究工作，他们最近利用可除去模板法，结合界面化学修饰与调控，获得了固载金纳米颗粒的中空介孔二氧化硅微粒，随后在其表面重组ATP合酶，构筑了一种具有类线粒体功能的多级次组装体。研究表明，金纳米颗粒作为纳米酶可催化级联反应，将葡萄糖转换为葡萄糖酸，进而产生跨膜质子梯度势，驱动ATP合酶催化合成ATP。该组装体系高效模拟了天然线粒体的氧化磷酸化过程，合成ATP的效率与天然线粒体相当。上述体系的建立为生物能量转换开辟了新途径，同时对利用人工纳米酶构建多级次结构的类生命单元组装体具有重要启示。相关研究成果发表在近期的Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 5572-5576。
　　

　　纳米酶催化级联反应用于模拟线粒体氧化磷酸化过程
　　
　　胶体、界面与化学热力学实验室
　　2019年4月11日