蛋白质是自然界中用途最广泛的结构和功能组件之一,它们通过多重超分子作用力精确装配形成有序且动态的纳米结构,充当生命活动的直接执行者。研究蛋白质的装配行为,尤其是在体外操控蛋白质自组装不仅有助于从侧面解析天然蛋白质组装过程及原理,还可以为新型仿生功能材料的设计和开发提供灵感。自组装的蛋白质结构是模拟天然光捕获系统的理想框架,使我们看到了蛋白质组装新的应用前景。通过仔细剖析各种光合生物的捕光复合物结构和工作原理,我们认为以下四大因素奠定了利用蛋白质组装体构建人工光捕获系统的基础和优势:（i）结构。除绿藻体外,绝大多数捕光天线复合物包含蛋白质基质。在紫色光合细菌和藻胆体中,蛋白质基质甚至是以有序排列的组装体的形式呈现的。（ii）功能。蛋白质是自然界保持高效能量传递的秘密武器,不仅可以精确定位色素分子的位置和取向,还间接参与了对整个能量传递过程的调节。（iii）可编辑性。蛋白质空间结构明确、表面易于修饰且具有一定的可编辑性,便于在体外加强对染料分子在空间分布和取向上的控制。（iv）动态响应性。利用蛋白质结构内在的灵活性和蛋白质组装策略可能带来的动态响应性有望模拟天然光收集过程中的自我调节和保护功能,构建结构与功能高度统一的光捕获仿生材料。综上所述,蛋白质组装在光捕获模拟中蕴藏着巨大的潜力。本论文旨在充分利用蛋白质自身结构和组装策略的优势,构建高效的人工光捕获系统。具体来说,我们选择具有自发光性质的荧光蛋白（EBFP2和EGFP）和热稳定的十二聚体环状SP1蛋白作为构筑基元,通过合理的设计和对蛋白质界面特定位点的修饰,在分子水平上直接操控蛋白质组装形成大规模的、长程有序的超结构。利用蛋白质模块的原始功能或引入与蛋白质结构相关的功能因子,描绘了非模板化和模板化的两种构筑方案。1.设计构建荧光蛋白二维晶体绿色荧光蛋白（GFP）作为一种具有独特自发光性质的天然生物大分子,自被发现以来就受到了科学界的高度关注,并被成功发展成为探索生物结构和功能的重要工具。然而由于GFP具有高度不对称的空间结构和化学异质性,就组装而言具有设计难度高、组装难以操控等缺点,因此在蛋白质组装和功能化应用领域发展缓慢。在本章工作中,我们发展了一种制备二维蛋白质纳米片层结构的通用方法,成功构建了高度有序的荧光蛋白二维晶体。我们利用EGFP作为组装模块,试图通过基因工程和化学修饰相结合的方法将EGFP设计并构建成为高度有序的二维片层结构,进而为其下一步应用奠定基础。我们选择罗丹明B分子间的π-π堆积作用作为组装驱动力,首先设计并合成了马来酰亚胺功能化的罗丹明B分子（RhG₂M）。为了获得目标二维结构,我们在EGFP的腰部选择合适位点设计了一组近C₄对称的半胱氨酸,以便将RhG₂M共价修饰于蛋白质表面。此外在设计阶段,为了获得最佳的设计方案,我们还充分考虑了EGFP固有的结构特征,利用蛋白质-蛋白质之间潜在的次级相互作用力作为辅助驱动力,进一步加强对组装方向的锚定。值得注意的是,由于组装全程在热力学驱动下进行,在低蛋白质浓度条件下,蛋白质组装形成高度有序的单层纳米片,随着浓度的升高,这种有序的组装行为依旧被保持,并最终形成了完美的带状晶体。不仅如此,我们合成的RhG₂M分子还可以作为一种普适的分子工具修饰于任何蛋白质表面的任意位点,这一特点也为蛋白质工程化组装提供了可能。2.基于荧光蛋白无模板构建人工光捕获系统深海中腔肠动物发出的星点绿光是荧光素酶和绿色荧光蛋白间非辐射共振能量转移的结果。这启示我们作为天然能量受体的荧光蛋白,由于具有生物优化的结构和光学性质,可能在人工光捕获系统的构筑中大有可为。受此启发,在本章工作中,基于荧光蛋白我们发展了一种无模板构筑二维人工光捕获系统的新方法。在上一章工作中,我们已经证明设计的EGFP-4C突变体在适当驱动力的诱导下能够组装形成高度有序的二维结构。本章我们沿用了这一突变体,将其作为光捕获系统的能量受体。与此同时,为了构成完整的光捕获回路,我们还引进了EBFP2作为能量供体,并对其进行了相同的突变操作。我们设计并合成了双马来酰亚胺功能化的PEG分子。利用共价相互作用与蛋白质-蛋白质之间潜在的次级相互作用力协同,控制蛋白质沿正交方向共组装形成长程有序的单层蛋白质纳米阵列。受益于荧光蛋白出色的抗自淬灭特性,即使在高局部浓度条件下,共组装体系仍能表现出诱人的光捕获能力。此外,相邻生色团之间的距离是连续可调的,通过调整linker长度,我们还实现了对组装体尺寸的有效调控,并最终成功获得了微米级的光捕获系统。该方法无需借助模板,也无需耗时的合成过程,有效地避免了因聚集淬灭造成的能量损失。不仅局限于这项工作,荧光蛋白独特的核壳结构还有望为传统有机染料光学性质的优化提供独特见解。3.基于蛋白质晶体构建人工光捕获系统蛋白质晶体具有三维立体的周期性空间结构,全面实现了蛋白质的无差错精确对接,是蛋白质组装的最高境界。从功能化的角度来看,其高度浓缩的周期性空间结构,显然是构建高级人工光捕获系统的理想模板。SP1环状蛋白因其特殊的C₆对称结构而具有很强的可设计性,加之本身具有良好的热稳定性使得其在功能材料制备方面具有独特的优势。在本章工作中,我们根据需要对SP1蛋白晶体实施了定向改造,并以之为模板构建了一种全新的人工光捕获系统。根据SP1蛋白晶体内部分子间的相互作用模式,我们对SP1蛋白进行了合理的重新设计和改造。在不同组装条件下,改造后的SP1在短时间内迅速组装形成菱形和棒状两种截然不同的晶体。事实证明,该方法有效加快了蛋白质的结晶速度,降低了蛋白质的结晶难度,稳定了蛋白质晶体的三维空间结构。更重要的是,菱形晶体表面可以通过静电相互作用指导无机纳米粒子超晶格的形成。我们将不同发射波长的正电量子点通过静电相互作用有序吸附在菱形晶片表面,从而构筑出了一套完整的光捕获系统。