在人工光合系统（APS）中[1]，还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）和腺苷三磷酸（ATP）等生物能量载体的高效再生，是驱动合成代谢反应、实现绿色生化合成与可持续能源转化的关键[2]。然而，在温和条件下实现辅酶再生过程的时空可控调节，是人工光合与光–生物催化领域长期以来面临的基础性挑战。
近日，北京大学定量生物学中心/物理学院、国科温州研究院罗春雄教授团队受天然光合作用中能量转化与空间调控机制的启发，构建了一种热响应类囊体集成型智能人工光合水凝胶薄膜，为APS引入了可动态调节的“结构开关”，实现了光合辅酶再生过程的动态、非线性调控的关键突破。相关成果以“Thermoresponsive Thylakoid-Integrated Artificial Photosynthetic Hydrogel Films for Dynamic Regulation of Photo-Biocatalytic Cofactor Regeneration”为题发表于国际期刊《Advanced Functional Materials》（IF=19.0）（图1）。
图1. 论文截图
该体系基于紫外光引发的原位自由基聚合模板策略，将具有光合功能的天然类囊体（Thylakoid，Tk）膜稳定嵌入温敏性聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNI）水凝胶骨架中，形成高度耦合的热响应类囊体集成PNI（Tk@PNI）生物–非生物杂化体系。在光照下，Tk@PNI体系中的类囊体膜上光合系统II（PSII）的叶绿素分子发生光激发并触发电荷分离，产生的高能电子沿着高度有序的光合电子传输链依次经过质体醌（PQ）、细胞色素b₆f（Cyt b₆f）、质体蓝素（PC）和光合系统I（PSI），最终传递至铁氧还蛋白（Fd），并在Fd–NADP⁺还原酶作用下再生NADPH。同时，PSII中的产氧复合物催化水分解，向类囊体腔内释放质子，形成跨膜质子电化学势，进一步驱动ATP合酶合成ATP，实现光依赖的能量载体再生过程[3]。在完整保留类囊体膜本征的光捕获与电子传递功能的同时，Tk@PNI中的PNI凝胶网络作为动态结构调节子，基于温度响应诱导的可逆体积相变，重构类囊体催化微域的界面传输微环境与空间约束状态，调控光诱导的质子耦合电子传输（PCET）动力学和催化输出，实现NADPH和ATP的高效再生（图2）。
图2. Tk@PNI人工光合水凝胶薄膜的设计及其温度响应调控机制示意图
研究团队首先系统探究了体外提取类囊体的光合辅酶再生能力，证实了提取的类囊体具备光驱动NADPH与ATP再生的功能，且其光合速率具有光强依赖性。随后，通过对比悬浮态与凝胶嵌入态（Tk@PNI）类囊体在不同含量与温度下的NADPH再生动力学，发现其速率与类囊体含量及环境温度(15-45摄氏度）呈正相关。同时凝胶嵌入态（Tk@PNI）类囊体结构可以高灵敏的响应温度并循环可逆（图3）。
图3. Tk自身光催化效率受其密度及环境温度变化的影响
图4. Tk@PNI水凝胶薄膜尺寸随环境温度动态可逆变化
深入分析揭示，Tk@PNI光催化体系呈现出独特的非线性温度响应动力学。其再生速率受三重协同效应的调控：其一，类囊体本征酶活性的温度敏感性随温度变化调控光合活性；其二，凝胶网络热致体积相变主导的非线性收缩，动态重构类囊体的空间密度，促进其聚集并降低扩散壁垒，从而直接放大电子传递效率；其三，该相变同时产生局部浓度效应，在维持光吸收的同时减少了有效载体面积，提升了单位面积内的活性组分浓度。这些机制共同作用，最终调控了整体光催化系统在不同温度下的单位面积辅酶与能量再生能力的差异达到了近10倍，远超单独的TK只有30%的变化（图5）。
图5. Tk@PNI水凝胶薄膜非线性调控光驱动的NADPH再生性能
综上，该研究通过热响应型Tk@PNI人工光合水凝胶薄膜实现了光合辅酶再生的动态调控。研究结果表明，该系统通过温度诱导的结构重构与叶绿素依赖性活性位点密度的协同作用，精准调控类囊体组装与酶活性，实现了光合性能的非线性调控。其光酶催化性能可通过类囊体负载量和环境温度实现动态调控。该平台不仅为刺激响应型聚合物与生物能量转导模块的整合提供了通用方法学框架，也为开发具有可持续生物化学合成与可编程能量转换的智能人工光合系统研究奠定了重要基础。
北京大学定量生物学中心/物理学院、国科温州研究院罗春雄教授为本文通讯作者。国科温州研究院博士后刘文英为本文第一作者兼通讯作者。国科温州研究院实习研究员许健、副研究员李玲君以及岗位研究员杨薇为本工作提供了重要支持和贡献。本研究获得了国家自然科学基金（12374203）、国科温州研究院重点研发计划(WIUCASQD2021013)以及北京大学成都前沿交叉生物技术研究院先进创新基金等项目的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202523671
参考文献
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