哈工大贺强/吴英杰团队JACS：旋转生物分子马达协同驱动实现超分子胶体马达能量合成与定向运输

生命体的一切活动，包括细胞分裂、肌肉收缩、物质运输等，追踪到分子水平都是源于生物分子马达做功推送的结果。F_oF₁-ATP合酶作为自然界最小的旋转生物分子马达，具有高效、安全的能量转化优势，且在生理条件下运转良好。构建基于F_oF₁-ATP合酶的功能性多级有序组装体，通过集合和放大这种分子产生的力和运动，将有望实现的仿生组装体系的驱动与功能。

哈尔滨工业大学贺强（点击查看介绍）、吴英杰（点击查看介绍）研究团队致力于仿生超分子胶体马达研究。此前，该团队以旋转生物分子马达F_oF₁-ATP合酶作为动力基元，提出了一种旋转生物分子马达协同驱动的超分子胶体马达组装体 (Sci. Adv., 2023, 9, eabg3015，点击阅读详细)。在此研究的基础上，该课题组近期利用旋转生物分子马达的协同驱动实现了仿生流线型亚微米尺度胶体马达的ATP合成及定向运输，研究成果发表于Journal of the American Chemical Society 上。

在这项研究中，该团队通过结合自下而上和自上而下的分子可控组装方法，将天然的类囊体膜重构为含F_oF₁-ATP合酶的尺寸均一、直径约为120 nm的脂质体。通过水热聚合法成功制备了一种亚微米大小的中空瓶状戊聚糖胶体粒子。借助真空灌注法将脂质体灌注瓶状戊聚糖胶体粒子的空腔内，成功制备了流线型和亚微米尺度的瓶状戊聚糖超分子胶体马达 (图1)。

图1. 生物分子马达协同驱动的超分子胶体马达的制备和表征。

为了实现瓶状胶体马达的自驱动运动，研究人员选择酸碱转化产生质子梯度的方式驱动F_oF₁-ATP合酶有效运转及能量转化。在酸性缓冲液的条件下，瓶腔内脂质体膜内外的质子梯度推动嵌膜F_oF₁-ATP合酶旋转触发磷酸化反应，将脂质体内储存的ADP和无机磷酸盐（Pi）转化为ATP，胶体马达自驱动的同时伴随ATP的合成和储存。研究发现，瓶状胶体马达的运动能力与质子浓度呈正相关，可通过调控酸性缓冲液质子浓度完成对瓶状胶体马达的运动速度的控制。此外，瓶状胶体马达运动过程中始终朝向瓶底方向运动，且质子浓度的升高也能够增强瓶状胶体马达自驱动能力的进而提高ATP合成效率和产量。该结果表明，F_oF₁-ATP合酶的磷酸化级联反应是驱动瓶状戊聚糖胶体马达的自推进运动的根本原因（见图2）。

图2. 瓶状胶体马达的自驱动及运动行为分析。

此外，在存在外部质子梯度时，瓶状胶体马达可感知质子梯度进而自生扭矩力，朝着远离质子源的方向迁移。通过对质子源固定距离处超分子胶体马达运动行为分析统计，研究人员发现随着时间的推移胶体马达周围质子浓度越高，其趋化过程中的自驱动速度逐渐增加。这一结果进一步证实了瓶状胶体马达的负趋化性运动行为与质子跨膜介导的F_oF₁-ATP合酶磷酸化反应活性密切相关。当外部介质中存在诱导ATP释放的化学信号时，瓶状胶体马达能够根据需要释放内部储存的ATP (图3)。通过组装基元的复杂设计与多个生物分子马达协同效应，这种亚微米大小、流线型、旋转F_oF₁-ATP合酶协同驱动的超分子胶体马达实现了集ATP合成、储存和靶向能量递送功能于一体。这项研究为控制生物分子马达组装系统提供了全新的思路，也为未来细胞的能量代谢主动调控实现疾病的精准诊疗提供了新途径。

图3. 瓶状胶体马达的负趋化行为及ATP合成。

哈尔滨工业大学贺强教授、吴英杰教授为论文通讯作者，博士研究生李月为论文第一作者，博士研究生刘君参与论文研究工作。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Rotary F_oF₁-ATP Synthase-Driven Flasklike Pentosan Colloidal Motors with ATP Synthesis and Storage

Yue Li, Jun Liu, Yingjie Wu*, and Qiang He*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: /10.1021/jacs.4c00334

导师介绍

贺强

https://www.x-mol.com/university/faculty/46676 

吴英杰

https://www.x-mol.com/university/faculty/360067