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。
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