“nature communications∣从头设计光化学反应中心蛋白”
文献信息：
作者：Nathan M. Ennist, Zhenyu Zhao, Steven E. Stayrook, Bohdana M. Discher, P. Leslie Dutton, Christopher C. Moser
接收时间：23 August 2022
https://doi.org/10.1038/s41467-022-32710-5
Nature Communications 影响因子：17.694
背景介绍
自然光合蛋白复合体捕获阳光，为地球上的生命提供能量催化。然而，这些天然蛋白质结构带有复杂性和脆弱性，这阻碍了蛋白质重组工程的努力，并掩盖了光驱动电荷分离背后的设计规则。从头开发简化的光合反应中心蛋白质，可以阐明构建新酶以高效转换太阳能为燃料能量所需的实用工程原则。
在这里，作者报告了一个多辅因子蛋白的合理设计，其结合了光合反应中心的基本元素。这种高度稳定的、模块化的人工蛋白质框架可以在体外与可互换的氧化还原中心重组，用于纳米尺度的光化学电荷分离。瞬态吸收光谱学展示了类似于光系统II的酪氨酸和金属簇氧化，测量的电荷分离寿命超过100毫秒，非常适合光激活的催化。
这个从头设计的活性中心基于为早期合成光化学三联体和修改的天然蛋白质中电荷分离建立的工程指南，并且展示了合成生物学如何引领新一代基因编码的、光驱动的催化剂用于太阳能燃料生产。
图文解读
图1 | 自然和人工光合反应中心的设计
a 光激活的供体-色素-受体（DPA）电子转移三联体是光合作用的核心，以及具有金属离子/酪氨酸供体、锌卟啉色素和血红素B受体的RC模型的X射线晶体结构，分辨率为2.0埃（PDB ID：5VJS）。
b 光激活系统的动力学方案显示了相对于基态的能量在光激活之前。将RC模型DPA三联体与代表性的PSII电荷分离状态（橙色）进行比较。
c 三联体等高线图，预计在100微秒后相对电荷分离D+PA−产量，针对一系列P到A的边到边距离与受体Em的范围（使用P/P+的Em为0.91 V和酪氨酸供体的Em为0.72 V）。虚线显示了以约1个螺旋转（约5.2埃）的增量调整的辅因子锚定残基。显示了血红素B和DADPIX作为受体替代品。
d 对应的三联体等高线图，用于D到P的距离和驱动力；受体是血红素B；酪氨酸、Mn(II)、Fe(II)和半胱氨酸偶联的铁钴（Fc164和Fc168）显示为可能的供体。
图2 | 设计的反应中心(RC)模型与
天然蛋白质的辅因子结合位点
在结构上具有显著的相似性，
尽管它们之间没有序列同一性
RC模型的晶体结构以白色显示，血红素电子受体和配位的His残基以绿色显示，ZnP色素和His以红色显示，以及电子供体酪氨酸、金属离子球体和第一壳层配体以蓝色显示。天然蛋白质结构以灰色显示，辅因子颜色与RC模型中相同。金属桥接氧原子以红色球体显示。蓝色虚线表示氢键。
a RC模型(PDB ID: 5VJS)和细胞色素b6f(PDB ID: 6RQF43)。
b RC模型L71H突变体与Cd(II)(PDB ID: 5VJU)和PSII(PDB ID: 6DHE44)。
c RC模型L71H突变体与Cd(II)(PDB ID: 5VJU)和含Cd(II)的细菌铁蛋白(PDB ID: 4CVS21)。
图3 | RC模型的瞬态光谱揭示了
光激活的电荷分离和复合的动态
a 在pH 9.5下，L31D/L71H突变体中酪氨酸-锌卟啉-血红素三联体的差异光谱，显示了激光闪光后从1微秒到3秒的延迟时间，对数时间间隔显示在b中。
b 差异光谱的第一和第二主时间变化奇异值分解(SVD)分量（分别为圆圈和正方形）拟合到一个简单的动力学模型，该模型连接了DPA*、DP+A−、D+PA−和DPA状态，采用单指数一级反应（实线）：锌卟啉单体（红色）、锌卟啉-血红素二联体（绿色）、酪氨酸-锌卟啉-血红素三联体（蓝色）。
c 酪氨酸-锌卟啉-血红素三联体的拟合对数速率。
d 酪氨酸-锌卟啉-血红素三联体的拟合DP*A和D+PA−差异光谱，主要由锌卟啉漂白（红色）和血红素氧化还原（蓝色）差异光谱主导，与在黑暗中用二硫化物还原的20微米RC模型-血红素样品获得的比例化血红素氧化还原光谱（黑色虚线）进行比较。
e 铁-酪氨酸-锌卟啉-血红素三联体（青色）和铁-酪氨酸-锌卟啉-血红素四联体（橙色）的拟合时间变化SVD分量显示电荷分离寿命可达300毫秒。源数据作为源数据文件提供。
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