近日，我组与李灿院士团队合作，在表征和优化光系统蛋白II（PSII）-催化半导体纳米材料杂合体相互作用机制中取得新进展；通过赖氨酸反应性分析质谱法（LRP-MS），对在太阳能-化学能转化中具有较大潜力的有机-无机杂合体分子整合细节如蛋白质结合取向、结合界面亚基及材料对蛋白结构调控等进行了系统研究。
植物光合作用通过包埋在类囊体膜中的PSII膜蛋白复合物进行太阳能转换。PSII蛋白能够捕捉太阳光并催化H2O裂解生成O2和电子。近年来，半人工光合杂合体整合了天然PSII蛋白复合物和人工合成催化材料，能够在光照下直接实现将H2O裂解生成H2和O2。以前的研究认为，PSII蛋白复合物基质侧通过静电相互作用直接与材料表面结合，并直接进行电子传递产生放氧和放氢活性。由于目前缺乏蛋白质-材料相互作用分子机制表征手段，半人工光合杂合体的具体构效关系仍然不清楚，其活性有效调控面临极大挑战。
我们团队在近年来独立发展了赖氨酸反应性分析结构质谱新方法（LRP-MS），证明该方法是探测蛋白-蛋白、激酶-抑制剂、受体-配体和蛋白酶-沸石等复合体界面分子相互作用机制的有效策略（Anal. Chem.,2016; Trends Analyt. Chem.,2019; Anal. Chem., 2019; Chem. Comm., 2019; Chem. Sci., 2020; Nat. Catal., 2021）。
在本工作中，我们构建了两种半人工光合杂合体PSII-Ru/SrTiO3:Rh和PSII-Ru2S3/CdS。其中，Ru/SrTiO3:Rh和Ru2S3/CdS具有相似的电负性，Ru/SrTiO3:Rh比Ru2S3/CdS更亲水。通过LRP-MS策略表征发现：在活性较强的PSII-Ru/SrTiO3:Rh杂合体中，PSII蛋白复合物以腔内侧通过亲水相互作用与Ru/SrTiO3:Rh纳米材料紧密结合，且关键蛋白亚基功能结构未发生显著变化。而在活性较低的PSII-Ru2S3/CdS杂合体中，PSII蛋白复合物与Ru2S3/CdS结合较弱且无统一的结合取向，无定向的随机结合引发了关键蛋白亚基LHC、CP26、CP47和PsbP中功能结构的严重无序变化，从而影响了该体系的放氧活性。通过将相对疏水的Ru2S3/CdS表面修饰生物兼容亲水性蛋白Protamine，可显著改善PSII蛋白复合物与Ru2S3/CdS的相互作用，杂合体放氧活性提高83.3%。
该研究结果于近日发表在Journal of Energy Chemistry上，上述研究工作得到国家自然科学基金、我所创新基金等项目的资助。（文/图 贺敏）
Figure 1. Schematic diagram of MS-based lysine reactivity profiling of free PSII and PSII-nanomaterial hybrids.
Figure 2. Significant labeling reactivity alterations lysine residues between free PSII and PSII-Ru/SrTiO3:Rh (A); crystal structure from bottom view (B) and front view (C and D).
Figure 3. Significant labeling reactivity alterations lysine residues between free PSII and PSII- Ru2S3/CdS (A); crystal structure from bottom view (B) and front view (C and D).
Figure 4. Hydrogen bonds between lysine residues (yellow) with proximal residues (A-H); and chlorophyll a (I-K).
Figure 5. Schematic diagram of directional interaction of PSII-Ru/SrTiO3:Rh (A); and non-directional interaction of PSII-Ru2S3/CdS (B).
