在生命体中,各式的蛋白以组装体的形式存在并在细胞生命周期中发挥着各自独特的功能,如保持细胞形态,促进新陈代谢,维持其反应活性等。鉴于蛋白组装体如此重要的生物特性,以蛋白质为基元的功能化组装体的构筑一直是蛋白质工程、分子生物学工程、超分子化学领域的前沿课题。通过对各种生物大分子组装机制的研究,可以了解自然界自组装的原理。现如今随着各式分析技术的发展,如X-射线晶体衍射,原子力显微镜,冷冻透射显微镜等,在分子水平下研究三维纳米结构中蛋白-蛋白间的相互作用已经成为可能。蛋白质的功能是紧紧依赖于蛋白结构的,了解蛋白结构就能知晓其物理化学特性并进行进一步的研究应用。二十世纪以来,各种蛋白的晶体结构被相继研究出来。结合不同的结构特征,人们利用共价与非共价方法构筑了各式的蛋白纳米结构。重要的是,蛋白质清晰可辨的结构,专-的识别能力,和对靶向分子特殊的反应能力使其构筑的纳米结构具有潜在的价值应用于组织工程,生物矿化,光捕获,药物释放系统等领域。本论文的研究主要围绕SP1(Stable Protein One)这一具有独特物理化学性质的蛋白展开。在水溶液中,SP1蛋白以中心对称的上下双层十二聚纳米环形式存在。经研究,SP1的溶解温度达到107℃,是罕见的耐高温蛋白。不仅如此,SP1的化学性质也相当稳定,它可以抵御表面活性剂、某些蛋白酶,还可以稳定的存在于有机溶剂中。如此稳定的化学结构特性使其成为理想的模板用于生物纳米材料的构筑。首先,我们从SP1自组装体入手,构建了环状的热稳定性的纳米酶,随后我们以SP1纳米环为基元构筑了一系列高度有序的纳米结构,并且成功功能化组装体得到了含多个谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)活性中心的纳米管和具有光捕获功能的纳米线。1.构筑热稳定性的GPx纳米酶GPx作为抗氧化酶的一种是人们主要关注对象。但是GPX天然酶的不稳定性、高分子量、来源有限等缺点极大地限制了它的开发利用。因此,人们利用人工模拟以期望重现这一酶模型。一系列拥有高GPx活性的生物大分子被构筑出来。然而尽管天然GPx和一些蛋白模拟酶具有高的催化活力,但是他们中的大多数不能在高温下很好的保持其结构与活力。因此我们选择了热稳定性的SP1蛋白作为GPx模拟的模板。通过计算机模拟、基因工程方法,我们成功地将GPx的活性中心硒代半胱氨酸(Sec)引入到SP1单体上,12个单体在水溶液中自组装形成稳定的纳米环结构(Se-SP1-57Cys),这样12个GPx活性位点分布于环的侧表面。质谱、圆二色谱和透射电镜分析证明Sec被成功地引入到蛋白中,并对蛋白结构没有影响。这一人工硒酶具有高的GPx活力并且显示出典型的乒乓机制。同时,温度依赖的酶活测定实验证明了该模拟酶具有高温稳定性而且活力随着温度的升高而升高。另外,这一含硒纳米酶还具有强的抗氧化能力,能够保护细胞免受氧化损伤。它可以作为一类新型的抗氧化药物将来应用于生物制药工程。2.小分子诱导SP1蛋白形成功能纳米管通过对SP1表面晶体结构的分析,我们发现SP1的上下表面由大量的酸性氨基酸组成,及带有大量的负电荷,与文献中报道的SP1蛋白的等电点pI≈4.3相一致。从这点出发,我们考虑到SP1可以作为静电组装理想的模板。通过带两个正电荷的乙二胺为linker诱导表面带负电荷的SP1的组装,并成功构筑了纳米管结构。然而,静电作用会受离子强度与溶液的酸碱度影响,所以我们进一步采用Zero-Length交联法将乙二胺共价连接在SP1纳米环的中间,形成稳定的纳米管。Zero-length方法的优越性就在于它可以直接连接两个蛋白质,而不影响蛋白质本身的结构或化学特性。基于这一点,我们以Se-SP1-57Cys为构筑基元以小分子乙二胺为linker通过Zero-Length交联法将Se-SP1-57Cys组装成纳米管的结构。这样,GPx活性中心有序的排布在纳米管的表面,形成多活性中心的纳米酶模型,该纳米酶展现出高的GPx活力,可与天然酶媲美。这一纳米酶的构筑联合了计算机模拟、生物技术与化学方法,实现了多学科之间的交叉,为多元化纳米材料的构筑提供了思路。3.量子点诱导SP1蛋白的组装构建光捕获系统基于前期成功的利用静电作用构筑组装体。我们考虑通过静电方法将SP1蛋白与修饰了正电荷的球形量子点(QDs)自组装形成高度有序的三明治状排布的纳米结构。不同尺寸的QDs (QD1:3-4nm, QD2:5-6nm, and QD3:-10nm)诱导SP1蛋白形成各式的纳米结构：维纳米线、随后的纳米束、以及空间网状结构等。原子力显微镜、透射电镜、和动态光散射等数据证明了QDs不同的尺寸与SP1独特的结构是构筑这些纳米结构的主要因素。另外,量子点间有序的排布使这一组装体成为良好的纳米天线,可以用于能量的储存与传递。更重要的是,环状SP1蛋白可以同时与两种尺寸的QDs (QD1和QD3)共组装形成纳米结构。两种量子点共组装后形成给体(QDl)受体(QD3)对。能量先在给体间储存传递,然后转移给受体分子,形成了一套光捕获系统,该组装体具有一定的潜在价值将来应用于光学器件的构建。