光合作用为地球上一切生命提供了最重要的物质与能量来源,它将清洁的太阳能转变为生物能、电能与化学能,将无机物变为有机物,也维持了地球的碳氧平衡。从自然到人工,从生物到仿生,从认识自然到模拟自然再到服务于人类社会,研究光合作用及其体外模拟具有重要意义。受自然启发,越来越多的科学家聚焦于利用分子组装的方式在体外对光合作用过程进行分子仿生。一方面,这促进了人们对光合作用各元件协同工作机制的更深入认识;另一方面,这也为基于光合作用相关机制的能量转化研究提供了新思路,具有广阔应用前景。本论文即从绿色植物的光合作用光反应阶段基本过程出发,分离提取了部分功能单位,并进行了活性鉴定与分子组装。设计、制作了一系列体外仿生体系,并对所涉仿生体系的能力进行了评估。分别成功地将光能转变为生物能或电能。具体内容概括如下:(1)我们从菠菜叶绿体内提取类囊体膜,通过改良的多种蛋白提取方式联用的方法分离、纯化并鉴定了光合系统II色素蛋白复合物与ATP合酶,并成功将ATP合酶与脂质体进行重组形成“ATPase-脂质体”结构,对重组后的ATP合酶催化合成ATP活性与稳定性进行了表征。为后续实验提供高活性、性质稳定的原始材料。(2)选取光合系统II色素蛋白复合物与ATP合酶-脂质体通过分子组装的方式进行体外整合:在蜂窝状多孔醋酸纤维素基底上层层组装光系统II色素蛋白复合物,最外层组装“ATPase-磷脂”结构,以模拟天然类囊体“单层ATPase包裹多层光系统II”的垛叠结构,通过光解水在蜂窝状阵列型多孔凹槽处产生质子并不断累积形成膜内外质子梯度,用于最外层ATPase催化ATP生成。该体系对光照有无以及光系统II或ATPase专一性抑制剂均有明显响应,形成了结构与功能双重仿生的光控人造类囊体。并探讨了不同光系统II组装层数对该人造类囊体产ATP能力的影响。在体外实现了从光能到生物能的转化。(3)对叶绿素进行人工改造,应用于仿生光电器件,并在体系中承担捕获光能的“色素天线”与产生电子的“活跃分子”的双重作用。通过对两种不同结构的“捕光天线”叶绿素衍生物分子结构与光电性质的比对,探讨不同结构对体外叶绿素衍生物捕获光能与分离电子能力的影响。确立优势结构,在体外实现光能到电能的转化,光电转换效率达0.11%。(4)设计合成了四种具有分子自组装能力的叶绿素衍生物,利用简单溶剂溶解后旋涂的简单方式即可组装形成J-聚集体,模拟天然光合作用电子传递物质的作用。通过对四种不同结构的空穴传输叶绿素衍生物结构与性质的比对,探讨不同结构对分子自组装形成J-聚集体,进而传导载流子能力的影响。确立优势分子结构,改良并确定最适条件,进一步提升了光电转化效率至0.86%。