分享一篇近期发表在JACS上的文章，题目为Protein-Based Model for Energy Transfer between Photosynthetic Light-Harvesting Complexes Is Constructed Using a Direct Protein−Protein Conjugation Strategy。文章的通讯作者是美国加州大学的Matthew B. Francis。

    捕光复合物是一种存在于光合作用生物体中的蛋白质-色素复合物，负责捕捉光子并将光能转化为化学能。其中色素分子（叶绿素、类胡萝卜素等）的作用是吸收多种波长的光能，膜蛋白则保持这些色素分子有正确定向，当一个叶绿素分子被光子激发后，其能量很快通过共振能量转移的方式传递至光合反应中心。构建参数可调的能量传递模型能够帮助研究人员进一步理解高效的光合作用背后的原理，以便将这种原理应用于人造光能转换系统中。本文作者利用烟草花叶病毒蛋白质外壳（cpTMV）的双层空心圆盘状组装体（n=34）模拟了捕光复合物之间的定向能量转移，两个组装体之间通过铁氰化钾介导的蛋白质-蛋白质偶联技术共价相连，并分别标记供体发色团和受体发色团（图1），实现了能量在两个组装体间的传递。

图1. 反应示意图

    图2a展示了两种来自紫色光合细菌的天然捕光复合物，分别简称为LH1（左）和LH2（右），LH2可以吸收光能并将其输送到LH1。捕光复合物内的高效能量转移源于良好的跃迁偶极矩，在LH1和LH2中最相邻色素分子间距仅为1.0 nm左右，作者根据该结构设计了荧光染料与cpTMV组装体共价偶联的模拟捕光复合物，其中供体发色团标记为绿色，受体发色团标记为红色（图2b）。使用铁氰化钾或高碘酸钠等小分子氧化剂将邻苯二酚、氨基酚或甲氧基苯酚氧化，能与氨基或巯基反应生成共价键，本文作者在cpTMV的65位引入了非天然氨基酸——对氨基苯丙氨酸（pAF）和3-硝基酪氨酸（3NY）——实现了位点特异性的蛋白质偶联（图2c、d）。

图2. 位点选择性的蛋白质偶联策略

    作者首先使用小分子模型确认了cpTMV突变体中非天然氨基酸的可及性及偶联反应的可行性（图3）。cpTMV-S65-3NY突变体用二亚硫酸钠处理，硝基苯酚还原为氨基苯酚，即为cpTMV-S65-3AY（产率83%）。去除残余的二亚硫酸钠后，直接将cpTMV-S65-3AY加入对氨基甲苯和铁氰化钾的混合溶液中反应，质谱显示反应的修饰率较高，没有观察到未修饰的cpTMV-S65-3AY。cpTMV-S65-pAF突变体的小分子模型反应使用类似的方式，最终证明了该反应的特异性和有效性。

图3. 蛋白质偶联的小分子模型实验

    之后，作者将cpTMV-S65-3AY与cpTMV-S65-pAF以1:1到1:10的比例混合，期望用cpTMV-S65-pAF过量的方式得到尽量多的双盘偶联物，避免薄片状偶联物的生成（图4）。当cpTMV-S65-3AY与cpTMV-S65-pAF比例为1:10时，质谱分析表明cpTMV-S65-3AY的转化率为31%。体积排阻色谱和动态光散射均证明反应后生成了体积大于盘状组装体的偶联物。TEM显示两个盘状组装体的偶联发生在水平方向上，这种构象可能更具优势。

图4. cpTMV组装体偶联物的合成与表征

    接下来，作者使用cpTMV突变体23位的半胱氨酸连接马来酰亚胺化的荧光发色团（图5）。作者选择FRET效应显著的OG488与AF594作为供体发色团与受体发色团，使能量转移更容易发生。最终得到了图5c中7代表的模拟捕光复合物。

图5. 在cpTMV组装体上修饰荧光发色团

    得到目标分子后，作者测定了各种cpTMV组装体在发色团允许的激发波长下的荧光寿命（图6），证明发色团间能量转移效率约为21%。

图6. cpTMV组装体的荧光寿命

    综上所述，本研究利用非天然氨基酸插入，实现了蛋白质组装体间特异性的偶联，并成功地利用该方法构建了一种捕光复合物。

作者：SYM  审校：DYH

DOI: 10.1021/jacs.3c02577

Link: https://doi.org/10.1021/jacs.3c02577