基于生物大分子自组装的光合仿生[FeFe]-氢化酶研究
批准号:
22077065
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
冯福德
依托单位:
学科分类:
化学生物学理论、方法与技术
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
冯福德
中文摘要
通过光催化方法制造氢气在绿色能源和疾病治疗领域有重要应用价值。铁硫簇单元是天然[FeFe]氢化酶关键的光化学反应中心,生理条件下拥有极强的催化质子还原的能力,但在体外易失活,其活性和稳定性强烈依赖于蛋白质微环境。围绕铁硫簇反应中心的微环境,本项目拟解决两个科学问题:1)如何应用多肽冠来保护氢化酶模拟物免于暴露于外界环境?2)DNA双链能否介导光敏剂与氢化酶模拟物的电子传递并增强催化析氢活性?本项目研究内容主要包括:1)以铁蛋白多肽为冠、氢化酶模拟物为壳、二氧化钛为核,评估铁蛋白多肽冠在对光化学反应中心的保护作用及对光化学析氢性能的影响;2)将光敏剂钌多吡啶配合物和氢化酶模拟物结合到DNA双链,研究DNA双链在仿生光系统中对光诱导电子传递的作用,并以此为基础构建更复杂的氢化酶模拟体系。本项目基于生物大分子和超分子自组装原理构造的光合仿生氢化酶体系将为氢气的生物应用提供重要手段。
英文摘要
Photocatalytic hydrogen generation plays a vital role in green energy and disease therapy. As a key photo reaction center of natural [FeFe]-hydrogenase, the iron sulfur unit has very strong capability to catalyze proton reduction under physiological conditions. However, the natural catalyst is unstable and deactivates if isolated. The activity and stability are highly dependent on the protein microenvironment. Focusing on the microenvironment of iron sulfur reaction center, this project plans to resolve two problems: 1) How to take advantage of peptide corona to protect the iron sulfur unit, acting as a hydrogenase mimic, from exposure to exterior environment, and 2) Can DNA duplex mediate long range electron transfer between photosensitizers and hydrogenase mimic to enhance photocatalytic hydrogen generation? This project includes two main objectives: 1) Establish a new artificial photosystem containing apoferritin peptide corona, hydrogenase mimic shell and TiO2 core and evaluate the roles of peptide corona in protection of photochemical reaction center and modulation of photocatalytic hydrogen production; 2) Investigate the roles of DNA duplex in the photoinduced electron transfer in the photosystem formed by binding photosensitizer ruthenium polypyridyl complexes and hydrogenase mimic to DNA duplex, which plays a foundation to construct higher hierarchical hydrogenase mimicking systems. The artificial photosynthetic hydrogenases designed in this project, based on biomacromolecules and principles of supramolecular self-assembly, will provide an important tool for bioapplication of hydrogen.
通过光催化方法制造氢气在绿色能源和疾病治疗领域有重要应用价值。铁硫簇单元是天然[FeFe]氢化酶关键的光化学反应中心,生理条件下拥有极强的催化质子还原的能力,但在体外易失活,其活性和稳定性强烈依赖于蛋白质微环境。围绕铁硫簇反应中心的微环境,本项目以[FeFe]氢化酶模拟物-蛋白质杂化体系为研究对象,主要开展了三元杂化及二元杂化体系等两个方面的工作:(1)使用铁蛋白笼通过蛋白壳中的三重通道非共价结合[FeFe]氢化酶模拟物的Fe-S端,并在外表面在[FeFe]氢化酶模拟物另一端(修饰了链引发基团)原位ATRP聚合反应非共价修饰阳离子聚合物,构建聚合物-铁蛋白笼-[FeFe]氢化酶模拟物三元杂化体系;(2)设计、合成三臂型[FeFe]氢化酶模拟物(triFeFe),原位组装牛胰岛素纳米纤维和triFeFe,表征二元组装纳米纤维的结构、稳定性及光合析氢能力。此外,尝试开展光敏剂钌多吡啶配合物(配体上含芘修饰)和[FeFe]氢化酶模拟物与DNA双链形成的氢化酶仿生体系,但是具有DNA嵌入和光敏能力的钌多吡啶配合物在合成上遇到困难,最终放弃。在三元杂化体系方面,虽然成功构建了结构可控性好的小尺寸纳米颗粒,然而铁蛋白表面修饰聚合物后,复合催化剂的析氢能力受到抑制,原因可能是蛋白表面的阳离子聚合物层对光敏剂产生静电排斥、无法有效介导光敏剂与催化剂之间的电子转移。在光活性二元组装纳米纤维方面,取得重要进展,发现牛胰岛素纳米纤维对triFeFe有很强的结合力和稳定作用,分子对接结果表明牛胰岛素的半胱氨酸等残基对结合triFeFe起主要贡献;与triFeFe电极相比,光电流密度值增加了4倍,生物杂化电极的电极电阻值显著降低了83%;纳米纤维具有出色的光化学析氢能力,TON可达到2.3 × 103,且在4℃储存2周后仍具有高活性,远优于非纳米纤维或表面吸附催化剂的对照组。重要意义在于,纳米纤维能够与天然的类囊体膜耦合,光照下不需要其他光敏剂的参与产生氢气,为发展太阳能驱动生物燃料生产生命系统的生物工程提供了一种新的方案。
活细胞内的三甲川菁染料原位合成
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:54万元
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批准年份:2022
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负责人:冯福德
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依托单位:
水溶性D-A-D型共轭大分子的设计、合成及在生物医药领域的应用
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批准号:21474046
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项目类别:面上项目
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资助金额:40.0万元
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批准年份:2014
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负责人:冯福德
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依托单位:
国内基金
海外基金