科学家构筑新型人工光合体系，拓宽对于自然光合作用体系的理解热

　　2023年5月下旬，对于田佳来说是忙碌且有意义的一个初夏。在短短一周之内，他相继在NatureCatalysis和NatureMaterials上发表两篇论文。目前，他在中科院上海有机所担任研究员。
　　图田佳（来源：田佳）
　　利用超分子手段，拓宽对自然光合作用体系的理解
　　5月18日，第一篇论文发表在NatureCatalysis上。研究中，他和合作者利用超分子手段模拟自然光合作用，探索构筑新型的人工光合体系。
　　光合作用被认为是地球上最重要的化学反应过程，为生命体提供着最基本的物质与能量来源。
　　然而，由于天然光合系统通常需要兼顾诸多生命过程，且催化中心数量有限并距离光敏系统较远，导致“光能化学能”转化的整体量子效率偏低。
　　通过化学手段模拟光合作用中的关键基元，构筑光能转化效率更高的人工光合系统，有可能为缓解能源环境危机、降低碳排放提供新的理论和技术支撑。
　　在复旦大学攻读博士学位期间，田佳师从该校的黎占亭教授。那时，前者主要从事超分子有机框架材料的研究。
　　更早之前，黎占亭在芳酰胺大环、以及折叠体和分子识别等领域的工作，给田佳带来了重要启发。
　　于是，后者萌生了将高强材料凯夫拉结构中的寡聚芳酰胺片段嫁接到天然卟啉两亲分子上，进而构筑人工光合组装体的想法。
　　后来，田佳根据天然光合紫色细菌的球形色素体结构，设计了两亲性的三嵌段卟啉基分子单体。
　　（来源：NatureCatalysis）
　　令人惊喜的是，利用这一方法不仅在水中得到了尺寸分布均一的球形组装体，而且组装体表面具有环形的卟啉阵列亚结构。
　　对于通过超分子组装体来模拟生物特定功能和结构来说，这是一次极其重要的突破。
　　在性能上，这种球形组装体不仅展现出光收割“球形天线”效应，同时具有良好的抗光漂白性质和优异的结构稳定性，为超分子光催化体系的光敏剂选择提供了新的解决方案。
　　（来源：NatureCatalysis）
　　受天然光合紫色细菌球形色素体结构的启发，课题组设计了三嵌段卟啉基的两亲分子，并引入寡聚芳酰胺片段以便增强组装体结构的稳定性。
　　合成关键分子之后，他开始进行超分子组装体的构筑和表征。通过亲疏水作用、氢键作用和堆积作用，这种单体分子可以在水中自发组装形成球形纳米胶束组装体。
　　通过增加芳酰胺片段的长度、提高分子间的氢键数量，可以构筑粒径更大、性质更稳定的组装体。
　　在化学、材料等科学研究中，纳米结构表征占据十分重要的位置。在NatureCatalysis发表的这篇论文中，透射电子显微镜、扫描透射电子显微镜以及同步辐射小角X射线散射的观测结果显示：组装体呈现出尺度均一的球形结构。
　　但是，更精细的组装亚结构表征，需要通过高分辨扫描透射电镜、原子力显微镜、冷冻电镜等手段实现。
　　借助冷冻电镜单颗粒分析技术，田佳等人观察到球形组装体表面存在直径4。2nm左右的环形卟啉阵列，这为进一步研究催化性能及其构效关系奠定了基础。
　　（来源：NatureCatalysis）
　　完成超分子组装体的构建之后，则要进行光催化实验和机理研究。这时，课题组根据球形胶束表面的环形卟啉阵列呈正电性，有目的地选择了合适的Co基卟啉催化剂。
　　在水溶液中，催化剂具有阴离子形式，因此可以通过静电相互作用拉近其与正离子型卟啉环形阵列的空间距离，从而提高电子传输效率；
　　且催化剂的尺寸约为34nm，略小于环形卟啉阵列的直径（4。2nm），这也促进了催化剂与环形阵列的对接。
　　另外，在催化过程中，好的催化剂不仅能降低反应活化能，也与反应底物二氧化碳具有一定的结合能力。同时，当生产最终目标产物CH4的时候，好的催化体系还能具有良好的脱附能力。
　　基于此，该团队选用四（对磺酸苯基）卟啉Co配合物（TSPPCo）为催化剂构筑人工光合体系，该体系在优化条件下表现出光促CO2至CH4转化的高催化效率与高产物选择性。
　　同时，在描述反应机理时，他们提出“纳米围栏”以及“球形天线”效应，上述效应使光生电子高效地注入催化位点，进而带来高效的二氧化碳催化转化。
　　当人工光合作用遇见超分子自组装
　　生命过程离不开超分子自组装，光合生命以脂质和蛋白为骨架，可以对捕光复合物和反应中心进行精确定位，并能有序排列形成精妙的多级自组装结构，比如紫菌的色素体、高等植物的类囊体等。
　　这些优雅的超分子组装体表现出高效的光捕获、精确的电子转移和选择性催化功能。
　　而在人工光合领域，超分子自组装的好处在于可以让人们“自下而上”地构筑光合材料，比如将单体分子组装为纳米复合结构。另外，通过优化结构设计，还能提高能量转移和电子传递的效率。
　　同时，超分子自组装能将不同的功能模块组装在一起，借此形成复合材料，从而打造多功能的人工光合系统。
　　另外，超分子自组装还具有可逆性和修复性的特点，能对人工光合材料的长期稳定性和可持续性起到重要作用。
　　如前所述，光合作用为生命提供了物质和能量。针对人工光合作用的研究一般主要关注：如何使用人工方法来模拟自然光合作用过程，将太阳能转化为化学能并进行储存。
　　具体来说，该领域的研究主要集中在以下几个方面：
　　其一，光吸收和能量转化。即设计和合成可以高效捕获太阳能的材料，让这些材料高效地吸收光能，并将不同波长的太阳光转化为可利用的能量。
　　其二，电子传递。即研究光激发态中电子的传输过程，包括电子在光吸收材料内部和不同受体之间的传递，以便设计高效的电子传输路径，从而最大限度地提高能量转换效率。
　　其三，光化学反应。即研究光激发态中的化学反应，例如使用光能来分解水或还原二氧化碳，寻找能够有效催化这些反应的催化剂，以便实现可控的太阳能转化。
　　由此可见，针对人工光合作用的研究，主要目标是通过模仿自然光合作用的原理和过程，开发高效可持续的太阳能转化技术。
　　而超分子自组装，是指分子通过非共价相互作用比如氢键、疏水作用等，自发地形成复合结构的过程。
　　对构建结构精确可控的光合材料，超分子自组装也能提供有益的启示。基于这些原因，课题组将超分子自组装和人工光合作用加以结合，最终完成了NatureCatalysis这篇论文。
　　5月18日，相关论文以《人工球形色素体纳米胶束用于水相选择性CO2还原》（ArtificialsphericalchromatophorenanomicellesforselectiveCO2reductioninwater）为题发在NatureCatalysis上〔1〕。
　　于军来和HuangLibei是论文的共同第一作者；田佳研究员、香港城市大学叶汝全教授、香港大学大卫李菲利普斯（DavidLeePhillips）教授、以及江苏大学杜莉莉教授担任共同通讯作者；中科院上海有机所是论文的第一完成单位。
　　图相关论文（来源：NatureCatalysis）
　　在这篇论文发表四天之后，由田佳担任第一作者的另一篇论文发表在NatureMaterials上。总体来看，这两篇论文都和超分子自组装有关。
　　而在NatureMaterials这篇论文里，则更进一步地探索了高分辨冷冻电镜技术在溶液相自组装领域的应用。
　　提出基于溶剂化纳米纤维的分子模型
　　具体来说，在NatureMaterials这篇论文中，研究人员提出了溶剂化纳米纤维的详细分子模型。
　　研究中，该团队使用高分辨的冷冻电镜作为主要研究手段。在冷冻电镜中，样品被冷冻在液氮温度下（约196摄氏度），这时可以形成一种名为玻璃态的固体状态，从而让分子保持在自然状态下的结构和构象。
　　在传统电子显微镜技术的样品处理过程中，通常需要在干态下制样，由此可能会引起结构破坏和伪影。而采用高分辨冷冻电镜可以避免上述不足。
　　通过收集不同角度和焦平面的电子图像，就能用计算算法对图像进行处理和重建，从而获得高分辨率的三维结构信息。
　　研究中，针对嵌段共聚物所形成的线性纳米胶束，课题组将高分辨冷冻电镜用于溶液相表征中，借此获得关于结晶的高分子精确结构信息、以及晶格堆积方式。
　　对于溶剂化的高分子链段，也可以通过冷冻电镜获得它在溶液相中的原位结构信息。
　　凭借这些关键的结构信息，研究人员得以通过分子模拟的方式，针对嵌段高分子在溶液相形成的一维线性组装结构，进行分子尺度上的解析。
　　期间，利用冷冻电镜观测到的晶格参数等关键信息，该团队对结晶核区之内的高分子链折叠方式和堆积方式进行了解析。
　　此外，通过测量高分子链段的组装长度和排列方式，他们发现溶剂化区域的高分子链段在溶液相组装时，会采用螺旋形的发散排列形式。
　　在NatureMaterials这篇论文中，课题组还制备了溶液相分散的纳米纤维组装体。
　　通过活性结晶驱动自组装，让线性纳米纤维的构筑和长度得到控制，而这一过程主要依赖以下几个因素：
　　其一，分子设计。
　　所设计的分子必须拥有合适的结构和功能单元。以嵌段高分子为例，这类高分子单体通常拥有两类高分子链段，即疏溶剂的结晶“核区（Core）”和亲溶剂的分散“晕区（Corona）”，这可以促进分子在溶液中的结晶和有序组装。同时，所设计的分子必须具有弱相互作用，以便在晶体生长过程中实现动态调控。
　　其二，晶体生长条件。
　　通过调节晶体的生长条件，例如溶液浓度、温度、溶剂选择等，可以控制纳米纤维的生长速率。同时，通过调节这些条件，还能对分子聚集行为和晶体生长动力学产生影响，从而实现纤维的构筑、以及长度的控制。
　　其三，动态调控。
　　活性结晶驱动自组装的一大优势在于，它可以在晶体生长过程之中，对分子进行动态调控和重排。通过控制分子结构或者引入其他功能分子，可以在纳米纤维中引入特定结构或功能单元。这样一来，纳米纤维的构筑和长度控制，也会更加灵活和可控。
　　研究“利器”：GW4高分辨电子冷冻显微镜
　　另据悉，在具备一定选择性的溶剂条件之下，嵌段高分子单体的“核区（Core）”可以自发地形成晶核，并通过“种子生长（Seededgrowth）”的方式实现线性组装。
　　而在同样的条件之下，亲溶剂的“晕区（Corona）”结构具有高度的溶剂化效应。对于纳米组装结构来说，这让它可以在溶剂介质中高度地分散，并能形成胶体稳定的溶液，且不会出现沉淀和析出。
　　在电子束的照射之下，具有结晶能力的“核区（Core）”通常拥有较高的衬度，很容易就能和溶剂分子以及其他结构区别出来。
　　但是，由于对电子束的不耐受性，通常很难直接观测到嵌段高分子单体的高分辨晶格结构。
　　为此，在低温下通过使用冷冻电镜，该团队利用低剂量电子成像模式，对上述结构进行观测并取得了很好的效果。
　　而亲溶剂的“晕区（Corona）”由于电子云密度比较低，使用普通的透射电镜手段难以观测到。
　　因此在NatureMaterials这篇论文中，课题组使用了一台TalosArctica冷冻透射电子显微镜，让其工作在200kV电压之下，并配上K2直接电子探测器和BioQuantum能量过滤器，借此获取了关于“核区（Core）“和“晕区（Corona）”的高分辨率冷冻电镜图像。
　　由此可见，在超分子自组装材料领域，预计冷冻电镜这一表征手段，将对组装机制、结构和功能关系的理解发挥重大作用。
　　而活性结晶自组装（LivingCDSA，LivingCrystallizationDrivenSelfAssembly），则是NatureMaterials这篇论文的另一个关键词。
　　活性结晶驱动自组装，是国际高分子领域的热点研究方向，也是一种新颖的自组装方法。它能帮助人们深入理解晶体生长和自组装的机制，为材料合成和设计提供新的思路。
　　在材料科学、纳米技术和生物医学等领域，该方法具有广泛的应用前景，可被用于制备功能性纳米材料、晶体纳米颗粒、有序纳米结构等。
　　在这一研究大方向上，课题组主要聚焦在如何利用晶体的自发形成，来控制和引导功能性材料的组装。
　　一些嵌段共聚物分子具有两亲性，这些分子在在晶体生长过程之中，会出现溶液相组装的行为。而通过“种子生长”的方法，可以对这种行为进行控制。
　　具体来说，纳米结构的形貌、大小、结构、以及超分子组装的性质，都可以通过该方法得到精确的调控。
　　在NatureMaterials这篇论文中，田佳的合作者是来自英国GW4高分辨电子冷冻显微镜中心的研究人员。
　　GW4高分辨电子冷冻显微镜，是一个用于高分辨度冷冻电子显微镜研究的设备设施，由英国布里斯托大学、加的夫大学、卡迪夫大学和巴斯大学这四所大学合作建立，旨在提供先进的电子显微镜技术支持，以用于研究生物大分子结构和功能。
　　该设施配有最先进的仪器设备，包括冷冻透射电子显微镜、电子能量过滤器和直接电子探测器，可以提供高分辨度的图像和结构分析能力。正是在这些设备的帮助之下，他们顺利地完成了本次研究。
　　5月22日，相关论文以《具有结晶核的嵌段共聚物纳米纤维的高分辨冷冻电子显微镜结构》（Highresolutioncryoelectronmicroscopystructureofblockcopolymernanofibreswithacrystallinecore）为题发在NatureMaterials上，并被选为当期期刊封面〔2〕。上海有机所田佳是论文第一作者，加拿大维多利亚大学伊恩曼纳斯（IanManners）担任通讯作者。
　　图相关论文（来源：NatureMaterials）
　　审稿人评价称：“作者在组装过程中所展现的细节，以及最终对于纳米结构的表征令人印象深刻，突显了之前人们没有意识到的纳米结构独特性。”
　　长远目标：全面地模拟自然光合作用
　　在人工光合作用领域，目前自然体系的平均“光能化学能”转化效率不足1。如能更深入地理解自然光合过程并对其加以改进，则有希望将光能至化学能转化的总量子效率提高至10以上并向实用领域拓展，从而对光能高效利用以及“双碳”目标的实现起到技术支撑作用。
　　在溶液相自组装结构表征领域，假如可以建立冷冻电镜的表征方法并加以推广，对于深刻理解自组装过程、构筑更多的具有特定功能的自组装超分子结构有着重要意义。
　　在人工光合组装体构筑领域，超分子球形色素体结构已被证明具有光收割“球形天线”效应以及优异的稳定性。
　　基于上述结构，田佳团队将筛选合适的无机催化剂比如杂多酸、无机纳米颗粒，构建有机超分子组装体与无机粒子的高阶组装体系，并探讨其在光催化产氢以及二氧化碳还原方面的应用。
　　同时，他希望通过筛选合适的催化剂，开展光催化产氧的研究，以便构筑不含牺牲试剂的全反应型光催化体系，借此在同一系统中让光催化氧化反应与还原反应同时进行，进而全面地模拟自然光合作用。
　　在组装结构的冷冻电镜表征上，田佳将和其他冷冻电镜平台开展合作，重点研究溶液相构筑的自组装结构，对大分子、小分子在溶液相中的自组装行为进行深入探究，并将根据已有理论知识与研究基础深入理解超分子组装体“结构与功能”之间的内在联系。
　　田佳目前所在的中科院上海有机化学研究所，起步于抗生素和高分子化学的研究，所里的老一辈科学家在“两弹一星”研制、“人工合成牛胰岛素、人工合成酵母丙氨酸转移核糖核酸”和物理有机化学中的两个基本问题等一系列紧密结合国家战略的重要研究中作出了卓越贡献。
　　目前，上海有机所的整体主攻方向是分子合成科学，致力于解决化学键的选择性断裂和重组等重大科学问题。
　　通过结合人工智能技术，旨在探索基础研究驱动变革性技术的创新模式，通过分子合成科学领域的原始创新，推动生物医药和战略有机材料等核心技术的发展。
　　参考资料：
　　1。Yu，J。，Huang，L。，Tang，Q。etal。ArtificialsphericalchromatophorenanomicellesforselectiveCO2reductioninwater。NatCatal（2023）。https：doi。org10。1038s4192902300962z
　　2。Tian，J。，Xie，SH。，Borucu，U。etal。Highresolutioncryoelectronmicroscopystructureofblockcopolymernanofibreswithacrystallinecore。Nat。Mater。22，786792（2023）。https：doi。org10。1038s41563023015594