基因密码子扩展模拟光合作用

基因编码高效电子受体非天然氨基酸

电子转移（ET）是生物体中最基本的生化过程，例如光合系统和呼吸系统中的氧化还原反应均为电子传递过程。研究者一直在寻求利用生物元件实现对复杂系统中电子转移及光致电荷分离进行高效可控的模拟，而如何基因编码有效的电子受体是合成生物学中的主要瓶颈。已知自然界中的天然氨基酸均为电子供体，而目前基因编码的用于研究电子传递过程的非天然氨基酸也均为电子供体。虽然也有金属螯合能力的非天然氨基酸可作为电子受体，但由于铜离子不能进入蛋白质内部、有毒性及环境敏感等原因而无法被推广。

中国科学院生物物理研究所王江云研究组将氟代硝基苯丙氨酸和间硝基苯丙氨酸两种电子受体非天然氨基酸通过基因密码子扩展手段定点插入到绿色荧光蛋白（GFP），首次实现了利用电子受体非天然氨基酸研究绿色荧光蛋白中的快速光致电子转移过程，并与中国科学院化学研究所夏安东研究组合作，利用飞秒瞬态光谱测量到电子转移发生在皮秒范围（接近光系统I中最快的电子转移步骤）。利用晶体结构研究测量了发色团到电子受体之间的距离，揭示了该电子转移过程是距离依赖的过程（与光系统I一致）。此外，该电子受体非天然氨基酸的氧化还原电势与生物体内重要的氧化还原产物NAD(P)H，铁硫中心A和铁硫中心B类似，因此可为利用合成生物学手段模拟复杂还原酶（光系统I，氢酶，固氮酶等）进而研究其机制和模拟其功能提供新的方法。并且引入的氟原子还可用于对电子转移进行EPR和NMR测定。

该研究通过基因编码的方法将一系列电子受体苯丙氨酸类似物引入绿色荧光蛋白，利用飞秒瞬态吸收光谱研究了绿色荧光蛋白中的光致电子转移过程，为研究生物大分子中的光致电子转移现象及复杂还原酶的理性设计提供了有力工具。

5月29日，Journal of the American Chemical Society 在线发表了这一最新研究成果，论文题为Ultrafast Photo-induced Electron Transfer in Green Fluorescent Protein Bearing a Genetically Encoded Electron Acceptor。

该研究得到科技部国家重点基础研究“973”计划、国家自然科学基金委员会和中国科学院的资助。