利用仿生超分子组装策略，在多层次上构筑类生命组装体，模拟自然界生命体的结构和功能，有助于深入阐明关键生命活动的物理化学机制，并有效干预甚至逆转疾病进程。生物能量代谢（包括合成代谢和分解代谢）在生命体中涉及数量众多且时空有序的生物酶催化级联化学反应。目前，通过仿生分子组装技术在体外构建单一体系，实现生物能量合成代谢和分解代谢的双向人工模拟仍然存在巨大挑战。

在国家自然科学基金委、科技部及中国科学院的支持下，化学研究所胶体、界面与化学热力学院重点实验室李峻柏课题组在生物能量合成代谢的化学模拟及调控方面进行了长期而系统的研究，取得了系列进展。开发人工酶催化的生物化学反应，为仿生分子组装系统提供生物能量转换的驱动力，在体外实现了生物能量合成代谢的模拟（Angew. Chem. Int. Ed.,2019,58,5572-5576;CCS Chem.,2023,5,1644-1652; J. Am. Chem. Soc.,2023,145,20907-20912)。整合和偶联非生物化学反应，提供了可驱动仿生组装系统进行生物能量合成代谢新的“燃料” (Angew. Chem. Int. Ed.,2019,58,796-800; Angew. Chem. Int. Ed.,2019,58,1110-1114;Angew. Chem. Int. Ed.,2021,60,7695-7698; Angew. Chem. Int. Ed.,2022,61,e202116220;Angew. Chem. Int. Ed.,2024,63,e202319116)。

最近，他们通过液-液相分离技术，将活性生物大分子葡萄糖脱氢酶（GDH）、脲酶（Urease）以及氧化型辅酶I（NAD⁺）封装，随后铺展含有ATP酶与葡萄糖转运蛋白（GLUT）的杂化囊泡，构建了一种化学燃料驱动的生物能量振荡微反应器。研究发现，葡萄糖经GLUT转运至微反应器内部后，在GDH与NAD⁺的作用下，被氧化为葡萄糖酸，释放出质子，形成由内向外的跨膜质子梯度，驱动ATP酶正向旋转催化ATP合成，体系ATP水平升高；尿素分子扩散进入内部时，被Urease催化水解，生成的氨与水结合后释放氢氧根离子，导致内部pH升高，引发ATP酶逆向旋转水解ATP并释放能量用于质子转运，体系ATP水平降低。结果表明，上述组装的单一微反应器同时模拟了生物能量合成代谢和分解代谢，实现了生物能量振荡。进一步通过改变GDH与Urease负载量或化学燃料（葡萄糖和尿素）的供给，可精细调控生物能量振荡的周期与振幅。该工作增进了生物能量代谢的系统性认知，为生物能量的动态双向调控提供了新途径，同时为研究其他节律性生命过程提供了新思路。相关成果近期发表于Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202411981，论文第一作者为王彤晖博士，通讯作者为李峻柏研究员和费进波研究员。

组装的仿生微反应器实现生物能量代谢振荡及调控

胶体、界面与化学热力学实验室

2024年8月23日