David Baker团队利用AI从头设计特殊叶绿素蛋白，可构建人工光合系统，或为光热能转化提供新途径|晶体结构_新浪科技

来源：DeepTech深科技

在自然界中，生物质资源的合成离不开光合作用。这是一个重要的生物化学过程，含叶绿体的绿色植物利用太阳能将二氧化碳和水转化为富含能量的碳水化合物，并释放氧气。这一过程在维持大气中氧气和二氧化碳含量方面发挥着至关重要的作用，同时也为许多生命提供能量。

不过，该过程非常低效，大约只有 1% 的太阳光能量被用于植物生长并转化为生物质能。也因此，科学家们一直在探索开发新型的人工合成光合系统。

近日，华盛顿大学蛋白质设计研究所所长 David Baker 团队利用人工智能从头设计了一种包含一对特殊叶绿素（Chl）分子的 C2 对称蛋白质（C2 -symmetric proteins），光谱显示，设计的蛋白模型中叶绿素通过激子耦合，这与天然光合中的机制一致，荧光成像显示发生了能量转移。最后，研究人员发现设计的 24 个叶绿素八面体纳米笼的冷冻电镜结构与设计模型非常匹配，每条边上都有一个叶绿素特殊对。

（来源：Nature Chemical Biology）

研究人员指出，这些结果表明了目前利用计算方法可以实现从头设计人工光合系统。

在植物光合作用过程中，光子的能量被叶绿素分子吸收后传递给光合反应中心，从而激发其电荷发生分离，这是实现能量转换的第一步。光合反应中心由一对特殊的叶绿素分子构成，这对分子负责调控光收集与电荷分离。在有利条件下，这种调控能力可以使光收集和电荷分离的量子产率达到 97% 或更高。

也就是说，天然光合作用可以指导合成生物学生产可再生燃料，不过前提需要确定从太阳能到燃料转化所需的结构-功能关系，并基于这一认知建立新结构。Chl 特殊对作为主要电子供体引起了科学家们的兴趣，但是天然光合系统极其复杂，直接研究这些 Chl 分子极其困难。

利用模型蛋白质系统如水溶性 Chl 蛋白和 LH1 的 B820 二聚体可以研究 Chl 分子或细菌叶绿素（BChl）分子之间的激子相互作用，不过这存在多个难点，从而导致无法复制天然特殊对的精确几何形状。目前，也缺乏组装精确匹配特殊对几何形状 Chl 二聚体的高效策略。

在此背景下，该团队推测计算蛋白设计领域的最新进展可能会帮助创建稳定的水溶性蛋白质，它们可以组装成具有预定几何形状的 Chl 二聚体。而将小分子结合为二聚体是一项计算挑战，这主要是因为结合界面不仅涉及蛋白质，还涉及第二个小分子，而第二个小分子通常具有独立的一组旋转和平移自由度。

为了控制这些自由度，研究团队尝试设计具有完全双环（C2）对称的同型二聚体，它们与 C2 对称的 Chl 对结合，使得蛋白质和发色团的 C2 对称轴重合，类似于天然反应中心，可以具有真正的 C2 对称性。C2 对称性能够改善色素跃迁之间的共振，从而产生离域状态。对于 Chl 二聚体蛋白支架，研究团队使用对称的 Rosetta FastDesign 重新设计了支架，选择了超稳定的 C2 对称重复蛋白二聚体，该二聚体含有可调尺寸和几何形状的对称口袋。

图|通过计算方法设计 Chl 特殊对蛋白（来源：上述论文）

在这种设计的二聚体重复蛋白结构中，疏水核心独立于小分子结合位点，可实现完全定制结合，且对整体蛋白质结构影响很小。研究团队已经生成了数千个 C2 对称的同型二聚体样本，覆盖了不同范围的超螺旋曲率和半径参数等。

在研究中，该团队共设计了 48 种 Chl 特殊对蛋白，热变性曲线显示，无论是在未结合配体的状态下还是结合了配体的状态，其中三种蛋白质 SP1、SP2、SP3 都具有高度的热稳定性。通过高分辨率 X 射线解析 SP1 和 SP2 的晶体结构，发现这两种蛋白质的骨架构象与相应的设计模型匹配，误差在 1.7 Å Cα 均方根偏差 (r.m.s.d.) 以内。随后通过比较实验和基于设计模型和晶体结构的 ZnPPaM 二聚体几何形状计算的 CD 光谱，进一步证实了设计蛋白中叶绿素的激子耦合机制。接下来，该团队还证实了特殊配对蛋白可以作为能量转移受体发挥作用。

为高效转换太阳能，自然界中光合作用光反应的发生场所会在专门的空间中，比如植物光反应的发生场所位于叶绿体中的类囊体中，紫色光合细菌的色素细胞囊泡中。为了构建这一结构，研究团队尝试将 Chl -结合特异对蛋白整合到具有八面体对称性的双组分超复合物中，这是从头设计类似于类囊体或色素细胞光合区室的第一步。当八面体纳米笼上结合 24 个 ZnPPaM 分子时，复合物的蛋白质-蛋白质界面以及整体结构的冷冻电镜结构都与计算设计模型非常相似。