题目：变形菌视紫红质生物光电体系的构筑及其性能调控

自然界中的生物能量转化分布广泛、丰富多彩，充满了神奇的奥秘。作为一类结构功能相对简单的光电能量转化蛋白—视紫红质蛋白，在细菌、真菌、藻类、高等动物生命体系中都有广泛的分布。变形菌视紫红质是其中的一种光驱动质子泵蛋白，2000年在海洋体系发现其分布，它能够在光刺激下，通过蛋白内部定向地传递质子，在细胞膜内外形成电化学势差，生物对其利用进行能量合成。变形菌视紫红质这种天然的、可多次利用的能量转换功能吸引着研究者的兴趣，将这种简单的光电转化功能与人工材料体系结合，形成生物光电体系，直接利用其光电转化性质，一方面能够开发出具有光电转化功能的新型材料，另一方面，在与材料复合过程中，能够加深对蛋白生物物理功能的了解，促进其进一步被开发利用。在本研究中，以变形菌视紫红质光电蛋白作为基本研究对象，构筑生物光电体系，调控变形菌视紫红质生物光电体系光电转化功能，并归纳总结出有关光循环、界面组装、离子传输耦合和材料协同的调控机理。研究得出的主要内容如下：

(1)通过基因手段成功培养获得变形菌视紫红质蛋白，制备了脂质重组变形菌视紫红质，并成功地将其应用到生物光电体系。利用变形菌视紫红质基因质粒重组、诱导表达，对变形菌视紫红质蛋白进行大规模培养、提取和纯化，总结出完整的变形菌视紫红质蛋白获取的方法；为了便于变形菌视紫红质在生物光电体系中的组装，通过对蛋白自然脂质环境的模拟，成功得到了尺寸可控、形态均一的脂质重组变形菌视紫红质；利用自组装方法将其沉积在电极表面，构筑了基本的变形菌视紫红质人工光电系统。通过频闪光的激发，在生物光电体系中获得了变形菌视紫红质的光电流，并且考察了蛋白浓度和激发光强度对其光电流的调控作用。在探索变形菌视紫红质光循环机理中，实验搭建了时间分辨瞬态吸收测试平台，成功获得了变形菌视紫红质K态、M态和基态漂白的特征中间体过程的检测。

(2)在人工体系中成功实现变形菌视紫红质光电转换功能后，通过质子传导材料与变形菌视紫红质的复合，实现了对光电流强度的调控。实验构筑了变形菌视紫红质-磷钨酸钾纳米复合体，实现了纳米级别生物和无机材料的有效组装；探究了随着组装尺度和质子传导材料载量的变化，光电流强度的变化规律，验证了质子传导材料复合是一种有效的提高生物光电体系性质的途径；机理分析中发现变形菌视紫红质-磷钨酸钾纳米复合体中变形菌视紫红质的光循环被促进，同时组装层质子传导能力大幅增强，以此总结出复合体促进了蛋白内部质子传递和组装层中三维的质子传输的机理，为实验观察到的光电流增加提出了合理的解释；利用光电流增强的实验基础，成功的实现了光电池对外加电路的功率输出，并且通过光电池的组装，实现了光电流和光电势的倍增。

(3)受自然界原生质体细胞膜电容性质的启发，构筑了变形菌视紫红质和人工纳米通道结合的新型光电体系，利用纳米通道中的离子传输调控实现了对变形菌视紫红质生物光电流的波形转化。实验观察到纳米通道的离子传输对变形菌视紫红质的生物光电流的持续时间有影响，继而通过对纳米通道电荷的修饰和孔径尺寸的变化，对变形菌视紫红质的光电流持续时间进行了有效的调控，并且总结出体系的光电流持续时间和纳米通道离子电阻的相互关系；结合变形菌视紫红质光电流产生机理，构建了纳米通道调控的变形菌视紫红质人工生物电容器模型，提出了离子传输影响到光电流持续时间的解释机理；将纳米通道调控的变形菌视紫红质生物电容器性质应用到变形菌视紫红质光电流波形转换上，成功地将原本瞬态的光电流转化为类似于方波的信号。

(4)在变形菌视紫红质的人工光电系统中，考察了环境pH变化对光电流的调控，并验证了其影响机理是光循环中间体M态寿命在不同pH环境下的变化；基于变形菌视紫红质光电流在碱性条件下显著增强，酸性环境下减弱，对pH变化有明显的敏感区间的特性，设计并构筑了光驱动变形菌视紫红质的微流控传感装置，利用变形菌视紫红质本征的电信号，实现了对动态pH变化过程的实时监控；利用光酸分子将环境紫外线照射信息转化为溶液pH变化，继而通过变形菌视紫红质的生物传感拓展了对紫外线信号的检测。