人工设计墨比乌斯带式光敏蛋白结构行吗

人工设计墨比乌斯带式光敏蛋白结构行吗

江云静

我国已有科学家在生物大分子上，发现和实现类似墨比乌斯圈式的基因蛋白质分子结构，但也只少量。但日本京都大学的研究人员宣布：他们已经在开展利用诱导多能干细胞（ｉＰＳ细胞），治疗帕金森病的临床试验：向一名患者脑部，移植由ｉＰＳ细胞培养的神经祖细胞──这种疗法在全球尚属首次使用──ｉＰＳ细胞，是通过对成熟体细胞“重新编程”，培育出的干细胞，拥有与胚胎干细胞相似的分化潜力。那么通过对成熟体细胞生物大分子基因“重新编程”，能否更多地发现和实现类似墨比乌斯圈式的基因蛋白质分子结构吗？

人工设计光敏蛋白实现二氧化碳光催化还原是可信的。例如，《自然--化学》（Nature Chemistry）2018年11月5日发布：中科院生物物理所研究员王江云课题组，设计出一种可以基因编码的光敏蛋白质，成功模拟了天然光合作用系统吸收光能，催化CO2的还原的功能，有望成为一种高功效还原剂，应用于太阳能转化、光生物学、环境修复和工业生物学等多个方面。

从发现和实现类似墨比乌斯圈式的基因蛋白质分子结构，过渡到

如何利用过量排放的CO2使其重新循环成为稳定的、可存储的、高能量的化学物质，或者相反转换，也许会成为当代生物学家们非常感兴趣的科学问题。王江云教授课题组，是受植物光合作用有效利用CO2的启发，模拟植物的光合作用，希望解决能源问题以及过量的CO2造成污染的问题。但在模拟植物光合作用的道路上，他们曾遇上三3大障碍：1.自然光合作用系统由复杂的膜蛋白亚基和多种辅酶组成，给研究和实际应用带来了不便；2. 光合系统中产生的还原分子NAD(P)H由于还原力较低，不能直接用于还原CO2；3.相比化学小分子催化剂，天然光合作用系统的CO2还原效率相对低下。

为跨过这三道坎，王江云教授课题组用合成生物学方法，开发出基因编码的人工光合作用系统，使其兼具天然光系统和化学小分子催化剂的优势。因为他们曾发现，荧光蛋白受光激发后，其发色团可以生成具有高还原活性的物种。在获得了光敏蛋白后，再在其表面特定位点，引入了一种小分子──三联吡啶镍配合物。这种杂合蛋白质便具有在光照条件下还原CO2生成CO的活性，于是，一种高效的还原剂──光敏蛋白催化剂就此产生。

王江云教授认为，这种全新的光敏蛋白催化剂无重金属，引入各种生物体很便利，若合理的设计或定向进化就可以显著扩展。在理论上，这种人工设计的光合蛋白质，既然可以为研究挑战性的化学转化提供新思路，或许为人工设计墨比乌斯圈式的基因蛋白质分子结构生命体进化，也能提供研究基础。