生物体中的“能量货币”——三磷酸腺苷（ATP）的合成和应用直接关系到物质运输、信息传递和基因表达等生命活动。通常情况下，ATP是以二磷酸腺苷和无机磷为原料，经叶绿体或线粒体的磷酸化过程合成的。非生物胁迫（如温度、光照、营养匮乏、干旱等因素）往往会诱导酶和细胞器的氧化损伤，从而阻碍叶绿体或线粒体的磷酸化过程、严重影响并降低能量ATP的合成和供给。通过超分子组装手段，整合天然的功能基元和人工合成的纳米材料，精妙设计、融合组装构建超分子微反应器，有望缓解非生物胁迫损伤、实现能量的高效转化与储存。

在国家自然科学基金委、科技部及中国科学院的支持下，化学所胶体、界面与化学热力学院重点实验室李峻柏课题组在生物分子马达ATP合酶的超分子组装、功能化以及在仿生合成ATP方面取得了一系列原创性和系统性研究成果（Nat. Rev. Chem.2019,3,361-374）。在前期的研究中，该课题组成功地运用超分子组装手段，有效地模拟叶绿体和线粒体的结构与功能，实现了不同途径的ATP合成(Angew. Chem. Int. Ed.,2024,63,e202319116;J. Am. Chem. Soc.,2023,145,20907−20912;Angew. Chem. Int. Ed.,2022,61,e202116220;Angew. Chem. Int. Ed.,2021,60,7695-7698）。

最近，受到植物在面对低磷胁迫下的相关行为启发，李峻柏研究员团队构建了基于酸性磷酸酶的超分子微反应器，在光照和低磷胁迫条件下实现了生物能量分子ATP的高效合成。研究发现，在无机磷充足时ATP合成主要依赖于磷酸酯水解产生的跨膜质子浓度梯度势；而无机磷不足（低磷胁迫）时，ATP的合成则受质子浓度梯度势和无机磷浓度两方面的限制。微反应器中的Au纳米团簇不仅可以分解过氧化氢，避免活性氧（ROS）的产生，提高微反应器的非生物胁迫的耐受性；在光照条件下，金团簇的光热效应，还可以加速酶促磷酸酯水解反应，为ATP合酶提供质子浓度梯度势的同时，还提供了合成ATP必需的反应物无机磷，在低磷胁迫下实现了ATP的高效合成，光照条件下微反应器的ATP合成速率提升了4.2倍。该工作探究了恶劣条件下的ATP合成及应对策略，为恶劣条件下的生物能量合成和运用提供了思路。相关研究成果发表在近期的Angew. Chem. Int. Ed. 2024,63,e202411164，并被选为Very Important Paper和Frontispiece。本文第一作者是博士研究生许阳，通讯作者是李峻柏研究员和贾怡副研究员。

基于磷酸酯水解驱动的生物能量合成

胶体、界面与化学热力学实验室

2024年9月20日