共偶联藻胆色素与叶绿素衍生物的捕光传能蛋白元件的人工设计

Cyanobacteria (blue-green algae) are ancestor of oxygen-evolving photosynthetic organisms. Their light-harvesting and -transferring complexes contain bilins and chlorophylls attached with apo-proteins. On the related studies, we found a preliminary method how to design the chromoproteins complexing with both bilin and chlorophyll derivatives. As the designed chromoproteins are very important to the construction of artificial photosynthesis, we plan to study in this project as follows: (1) design of domains to bind efficiently bilin derivatives; (2) design of domains to bind efficiently chlorophyll derivatives; (3) modification of bilins to adjust their energy levels; (4) modification of chlorophylls to adjust their energy levels; (5) combination of these respective domains to coordinate each other well; (6) binding of the modified chromophores with the designed apo-proteins to assure the efficient light-harvesting and -transferring. Using absorption, fluorescence excitation and emission spectroscopy evaluates the light-harvesting and transferring capacities of these designed chromoprotein units, and improves the designed units based on the evaluation. The studies will lead to new methods and techniques and design series of novel light-harvesting and -transferring units for artificial photosynthesis, which is significant to elucidate the mechanisms of light-harvesting and -transferring in photosynthesis and to design and construct the artificial photosynthesis.

蓝细菌（即蓝藻）是放氧光合作用的祖先，由于其高效光合作用需要，蓝细菌光合作用捕光复合物由结合藻胆色素与叶绿素的蛋白质组成。在蓝细菌捕光复合物研究中，我们初步发现了人工设计共偶联藻胆色素与叶绿素衍生物的捕光传能蛋白的路线，由于这类共偶联藻胆色素与叶绿素的捕光传能蛋白元件在人造光合作用中的重要性，计划在本项目中系统分子设计结合藻胆色素的蛋白结构域和结合叶绿素的蛋白结构域，设计这些结构域的多种排列组合，然后让分子设计的结构域共偶联藻胆色素与叶绿素衍生物，构建各种多系列的共偶联藻胆色素与叶绿素衍生物的捕光传能蛋白元件。通过吸收和荧光光谱评价这些捕光传能蛋白元件的性能，然后反馈到分子设计，以设计更好的共偶联藻胆色素与叶绿素的捕光传能元件。该研究将建立人造光合作用捕光传能元件合成的新技术与方法，发展出系列新型人造光合作用捕光传能元件，对认识光合作用捕光传能机制，对人造光合作用设计与构建具有重要意义

蓝细菌（即蓝藻）是放氧光合作用的祖先，由于其高效光合作用需要，蓝细菌光合作用捕光复合物既结合藻胆色素也结合叶绿素。由于这些偶联藻胆色素与叶绿素的捕光传能蛋白元件在人造光合作用中的重要性，我们在本项目中分子设计分子构建结合藻胆色素的蛋白结构域、结合藻胆色素与叶绿素的蛋白结构域，设计这些结构域的多种排列组合，构建多系列的偶联藻胆色素和叶绿素衍生物的捕光传能蛋白元件。为指导分子设计与构建，解析了藻胆蛋白复合物 – 藻胆体的关键结构域 – 藻胆体核膜连接蛋白ApcE的藻胆蛋白结构域和藻胆蛋白色素化的关键工具酶CpcE/F的结构。从结构生物学角度深入研究了保护藻胆蛋白捕光传能的橙色胡萝卜素蛋白（OCP）的作用机制。深入研究了藻胆色素偶联的机制，使得藻胆色素能自催化偶联，也能替换偶联的藻胆色素。发明了一种合成藻胆色素的崭新方法。利用荧光共振能量传递（FRET）机制构建了多种融合结构域以改变和拓展光合作用捕光传能范围。研究了超红移藻胆蛋白生物合成、光谱超红移机制，弄清了藻胆蛋白中藻胆色素偶联的崭新结合方式 – 非共价偶联，相应地找到了通过藻胆蛋白将光合作用拓宽进入近红外色波段的方法。另发现一个崭新的藻胆色素偶联调控的机制，一个响应光合作用氧化还原水平的新调控元件。这些研究建立了光合作用捕光传能元件合成的新技术与方法，发展出系列新型光合作用捕光传能元件，对认识光合作用捕光传能机制，对人造光合作用设计与构建具有重要意义。