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1、第50卷第6期 2004年12月武汉大学学报(理学版)J.WuhanUniv.(Nat.Sci.Ed.)Vol.50No.6 Dec.2004,786～792文章编号:167128836(2004)0620786207综 述细菌视紫红质分子在生物分子器件上的应用曹军卫,贺焯皓(武汉大学生命科学学院,湖北武汉430072) 摘 要:细菌视紫红质(bacteriorhodopsin,BR)分子对于嗜盐菌的光合成能力,是一个关键蛋白,也是在自然界中以晶体形式存在的一种十分稀有的分子.由于BR分子优良的分子特性,如光致变色效应、
2、光电响应、质子传输等,成为构建生物分子器件最佳的材料.本文简要介绍了有关BR分子目前应用的主要研究成果,并展望了其更多潜在的应用潜力.关 键 词:细菌视紫红质分子;生物分子器件;基因改造中图分类号:Q936;Q632 文献标识码:A 生物电子学是分子电子学的一个领域,它是研很轻,可防辐射,并且价格比较便宜,再加上蛋白质究天然的和修饰的生物分子(色素或蛋白质等)在电固有的量子效率和周期性,其优势超过了现有的一子或光子器件中的应用.自然进化常常可以解决类些有机和无机介质.然而,天然的蛋白质对于上述的似有机化合物性质的问题
3、,而自组装和遗传工程提光学存储器而言,并非是最理想的.至今在所有的研供了控制和处理大分子或全细胞的巧妙方法.当前究中,都采用化学或遗传方法修饰BR蛋白质,以增大多数生物电子学的研究成就都集中在自组装单层强其做为器件材料的各种性能.膜、生物传感器和基于蛋白质的光学器件方面.因20世纪70年代初,Oesterhelt等[13]首次报道了此,生物电子学已经表现出非常大的前景.细菌视紫红质分子的发现.这不仅是一种新的蛋白尽管探讨了几种蛋白质在微电子器件应用上的质的发现,也是一种新的光合成系统的发现.这是在可能性,但细菌视紫红质(b
4、acteriorhodopsin,BR)分盐生盐杆菌膜上存在的一种简单的光合成系统,仅子是最受关注的[1,2].俄罗斯Shemyakin有机化学由两种膜分子构成,即BR和ATPase.BR分子中的学院的YuriOvchinikov首先提出了这个材料的应光合色素基团视黄醛通过Schiff碱基连接到视蛋白用潜力.20世纪70年代他就建议苏联科学应该跳216位的赖氨酸残基上.而以往视黄醛从无到有的过西方计算机技术进行发展,即探讨生物分子电子合成被认为是高等生物的特征,而非原核生物的特学,苏联称之为“视紫质计划”.这个计划最知名的
5、成征.BR分子是以二维晶体结构存在于细胞膜上的,就之一就是生物色素在实时光致变色和全息膜(用通过渗透压冲击法裂解细菌,可以产生很多紫色的含有BR的化学修饰聚合膜为基础)方面的应用[3].
膜片,这就是所谓的紫膜,它由BR和脂分子组成,目前他们的工作主要集中在用遗传工程手段增强全两者比例约为1∶10.息效率[4,5],对BR分子的遗传修饰已经成功地发展出商用的实时全息图像分析系统[6,7].1 视紫红质的结构以BR为基础的蛋白质光学存储器有巨大的应用潜力[1].这些存储器可以做成很薄的光致变色BR分子由248个氨基酸组成,形
6、成垂直于细胞膜[8,9]、3D分枝光循环[2,10]、全息二进制[5,11,12]或傅立叶2变换全息联合存储器[2,10]等.这类存储介质膜表面的7个跨膜螺旋(即A、B、C、D、E、F、G螺旋),C端在细胞膜内侧,N端在细胞膜外侧(图1, 收稿日期:2004207228 作者简介:曹军卫(19512),女,副教授,现从事微生物生理学研究. E2mail:caojw@whu.edu.cn第6期曹军卫等:细菌视紫红质分子在生物分子器件上的应用787图1 (a)BR分子中某些关键氨基酸地示意图,(b)BR光循环,包括分支
7、光循环括号中表示的是各个态的最大吸收光谱(nm)a).X射线衍射晶体学和电子晶体学一直是研究BR色,光电响应等方面的性质,使其可以应用于许多不分子结构的主要技术,BR分子结构的解析为BR同的领域.分子各分支领域的研究,提供了动力并奠定了基础.BR分子薄膜材料便于制备,具有优良的光学 细菌视紫红质的生物学功能源自它的光驱动质非线性和许多利于应用的优点[15,16],包括:子泵.BR分子216位的赖氨酸和生色团视黄醛以1)热稳定性和光化学稳定性好;Schiff碱基相连.在吸收光能后,视黄醛经历全反→2)光化学反应时间快;13
8、顺→全反的异构化过程,同时蛋白构像发生变3)正反应和逆反应均有很高的量子产额(Φ=化.最初的光化学事件包括从全反式色素转变成130.65),并且是非波长依赖的,颇适于低光强的开关-顺式同分异构体,产生第一个中间体K(图1b).
器件开发;随后连续形成L、M、N和O中间体,完成一系列暗4)优异的光致变色特
