ATP合酶的仿生微胶囊组装及ATP的光驱动合成

The proposal aims to develop biomimetics microcapsules based on multi-level self-assembly. The microcapsules which simulate photosynthesis mechanism of green plants could convert light to chemical energy. Firstly, the hollow nanospheres were prepared in water by one step based on the host-guest inclusion of alg-g-PEG and a-cyclodextrin, while the proton pump poly(acrylic acid-pyrene ester-acrylic acid) copolymer were encapsulated in the hollow spheres during the process of preparation. Secondly, the liposome with embedded ATPase was assembled onto the surface of the hollow spheres through the molecular self-assembly technology. The biomimetics microcapsules can simulate the function of the bio-membrane, realize the light-driven rotation of the motor protein (ATPase) and convert ADP to ATP efficicently. The biomimetics microcapsules with low cost would show good stability, ecological process of light-chemical energy conversion and efficient energy conversion rate. The contents will focus on the preparation of the proton pump, the purification and determination of ATPase, the multi-level assembly of multiplex biomimetics microcapsules, and the realization of the ATPase function. The studies would develop an advanced energy conversion molecular device based on biomimetics, open up a creative thoughts and technology for the developments of biomimetics materials.

本项目借鉴绿色植物光合作用的机制，设计利用多级自组装制备可将光能转化为化学能的纳米仿生微胶囊。利用海藻酸钠-聚乙二醇/α-环糊精的主客体识别作用一步法在水体系制备纳米中空微胶囊，并在纳米胶囊形成过程中包裹光驱质子泵（聚丙烯酸-聚丙烯酸芘甲酯）。进一步利用分子组装技术将镶嵌有腺苷三磷酸（ATP）合酶的脂质体重组、二次组装到纳米微胶囊表面，从而得到纳米仿生微胶囊。该仿生胶囊可模拟生物膜的功能，在光照下驱动分子马达蛋白ATP合酶，高效将腺苷二磷酸（ADP）合成为ATP。本项目制备的仿生复合多层结构微胶囊具有稳定性好、可以绿色实现光-化学能转化、能效转化效率高及原料价廉易得的特点。研究内容将集中于新型质子泵的制备、ATP合酶分离纯化及鉴定、复合仿生微胶囊的多级组装制备、ATP合酶功能实现等方面。希望该研究工作发展出一种基于仿生原理的先进能源转换器件，为仿生材料的发展提供一种新的技术和研究思路。

设计制备与细胞膜结构或功能相似的仿生膜将为化学、生物工程以及生物和医用材料领域提供许多新的空间和思路。因此相关仿生膜的研究已成为当今的分子仿生领域内一个非常重要的研究热点和方向。在国家自然基金的支持下，我们深入开展了新型ATP合酶仿生胶囊的研究。利用多层次的组装模拟自然界光合作用的机制，以光能为驱动力推动ATP合酶的分子马达转动并制造出能量货币ATP分子。为生物和化学研究提供新的生物膜模型，使对ATP合酶的功能与研究应用更为广泛和深入，同时也为利用ATP合酶分子马达构建新型纳米生物机器也提供了新的研究思路。在这四年的资助期间，研究计划均取得一定成果（详见发表的科研论文）。另外，我们还以环糊精和客体分子的可逆包合为模型材料，开发了一系列的基于环糊精自组装形成的刺激响应性纳米递药体系，得到了良好的效果。