一种宽吸收光谱重组光合蛋白分子及其构建方法技术

本发明专利技术公开了一种宽吸收光谱重组光合蛋白分子，由重组叶绿素结合蛋白、藻胆蛋白融合蛋白与叶绿素a在体外进行结合得到，首先，利用分子生物学和基因工程的手段，结合藻胆蛋白色基体内组合催化技术，构建叶绿素结合蛋白、全色基藻胆蛋白融合分子，并在大肠杆菌工程菌株BL21中进行异源表达，再将叶绿素a与叶绿素结合蛋白、藻胆蛋白融合分子进行体外重组，得到既包含LHC Ⅱ又包含藻胆蛋白吸收光谱的宽吸收光谱光敏剂，为大规模制备重组藻胆蛋白及LHC Ⅱ色素蛋白分子提供了成熟的方法，并为探究生物基染料敏化太阳能电池的应用以及拓宽染料敏化剂吸收光谱范围提供了新的思路。

A Wide Absorption Spectrum Recombinant Photosynthetic Protein Molecule and Its Construction Method

The invention discloses a wide absorption spectrum recombinant photosynthetic protein molecule, which is obtained by combining recombinant chlorophyll binding protein, phycobiliprotein fusion protein and chlorophyll a in vitro. Firstly, by means of molecular biology and genetic engineering, combined with the combination catalytic technology of phycobiliprotein color matrix, the chlorophyll binding protein and panchromatic phycobiliprotein fusion molecule are constructed, and the fusion molecule is large in size. Enterobacter engineering strain BL21 was heterologously expressed, and then chlorophyll a was recombined with chlorophyll binding protein and phycobiliprotein fusion molecule in vitro. A broad absorption spectrum photosensitizer containing both LHC II and phycobiliprotein absorption spectrum was obtained, which provided a mature method for large-scale preparation of recombinant phycobiliprotein and LHC II pigment protein molecule, and also for exploring bio-based dye sensitization. The application of solar cells and broadening the absorption spectrum of dye sensitizers provide new ideas.

【技术实现步骤摘要】
一种宽吸收光谱重组光合蛋白分子及其构建方法
本专利技术涉及生物材料领域，涉及一种光合蛋白分子，具体涉及一种宽吸收光谱重组光合蛋白分子及其构建方法。
技术介绍
能源危机和环境问题都是当前人类面临的日益紧迫的重要问题，随着不可再生资源的日渐减少和环境污染的不断加剧，人们开发新型清洁能源的任务迫在眉睫。太阳能作为一种取之不尽、环境友好和分布广泛的可再生资源，各国研究者一直都非常热衷于将太阳能进行开发利用，应用于人类生活的各个方面。染料敏化太阳能电池(DyeSensitizedSolarCell,DSSC)继硅系列太阳能电池和化合物薄膜太阳能电池之后出现，是典型的第三代太阳能电池，相比于单晶硅太阳能电池，染料敏化太阳能电池具有制备工艺简单、成本低廉以及环境友好等优点。DSSC的基本结构主要包括：透明导电玻璃、TiO2纳米晶粒薄膜、光敏染料、电解液以及对电极。染料敏化剂吸收太阳光后，激发态的染料分子会将电子转移到TiO2纳米晶粒上，然后形成电子传输通道，电子将会在透明导电玻璃上进行收集，染料失去电子变为氧化态，并在电解液中还原态物质的作用下便变回基态，最后电解质在对电极处得到还原，从而完成整个太阳能电池反应的全过程。DSSC研究中一个至关重要的问题就是染料敏化剂。对于敏化剂的选择，相对于化学染料来说，天然生物染料分子更加天然环保，不污染环境，来源广泛。而作为最理想的敏化剂应该具备的最重要的两个特征：一、染料分子的吸收光谱可以覆盖整个可见光区。二、染料分子的光量子产率尽可能高。但是目前天然生物染料敏化太阳能电池光敏剂普遍存在吸收光谱范围窄的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种宽吸收光谱重组光合蛋白分子及其构建方法，旨在解决现有技术中生物染料敏化剂吸收光谱范围窄的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种宽吸收光谱重组光合蛋白分子，由叶绿素结合蛋白、全色基藻胆蛋白融合蛋白与叶绿素a在体外进行结合得到，其中，融合蛋白为藻蓝蛋白α亚基cpcA基因与叶绿素结合蛋白LhcⅡ基因经重叠PCR融合后分别与本实验前期构建并保存的重组质粒pCDFDuet-cpcA-cpcEF-hox1-pcyA和pCDFDuet-cpcA-cpcEF-hox1-pebS连接所构建表达的蛋白分子。重组表达的LHCⅡ/PCA融合蛋白在体外可以结合8个叶绿素a分子。在AM1.5，光照强度为100mW/cm2的条件下，测得重组后LHCⅡ复合物敏化电池效率η为0.179％；相同浓度下，叶绿素a敏化电池的效率η为0.198％。相较之下，叶绿素a比人工体外重组的LHCⅡ的光电效率高，分析其原因，是由于同样的叶绿素a，其吸收光谱相同，但是叶绿素a比重组LHCⅡ的分子质量小，在染料敏化太阳能电池的光电阳极上的吸附效果好，所以表现出相对较好的光电性能。本专利技术构建了藻胆蛋白与叶绿素结合蛋白的融合分子，并且将融合蛋白LHCⅡ-PCA-PEB与叶绿素a在体外重组成功。本专利技术的宽吸收光谱重组光合蛋白分子有益效果在于：(1)天然有机染料来源广泛，且吸收光谱响应范围比无机材料的吸收范围宽。(2)作为光敏剂，天然色素分子不仅能大幅度提高对光的捕获能力，而且其量子产率一般也在一个较高的水平上，捕获的大部分光子基本都能形成有效的电荷分离。(3)天然色素染料分子环保，无污染，不会像化学染料合成过程中毒性比较大，污染环境。本专利技术还提供了一种宽吸收光谱重组光合蛋白分子的构建方法，包括以下步骤：(1)分别以pUC19-LhcⅡ为模板，LHCⅡ-F和LHCⅡ-PCA-R为引物；以pCDFDuet-cpcA-cpcEF-hox1-pcyA质粒为模板，LHCⅡ-PCA-F和PCA-R为引物配制PCR体系，进行将藻蓝蛋白α亚基cpcA基因与叶绿素结合蛋白LhcⅡ基因中目的片段LhcⅡ和cpcA的扩增进行PCR扩增延伸，然后切胶，进行胶回收；(2)以胶回收得到的LhcⅡ片段和cpcA片段为模板，LHCⅡ-F、PCA-R为引物进行重叠PCR，得到融合片段LhcⅡ-cpcA，将PCR产物进行回收，得到融合基因片段，-20℃冰箱保存；(3)将融合基因片段与T载体进行连接，连接体系由体积比为4:1:5的LhcⅡ-cpcA、pMD19-T和SolutionⅠ组成，得到pMD19-T-LhcⅡ-cpcA质粒，再取实验前期构建并保存于超低温冰箱的pCDFDuet-cpcA-cpcEF-hox1-pcyA和pCDFDuet-cpcA-cpcEF-hox1-pebS质粒，分别使用限制性内切酶BamHⅠ、SacⅠ，37℃恒温水浴锅中分别对三种质粒进行双酶切，时长为16h，体系中DNA、BamHⅠ、SacⅠ、10×CutSmartBuffer、H2O的体积比为30:1:1:5:13，结束后进行胶回收，得到目的片段LhcⅡ-cpcA和相应载体片段；分别将藻胆色素合成相关基因cpcEF、hox1、pcyA以及pebS等基因经适当酶切后连接到同一载体上，构建得到可表达LHCⅡ-PCA-PCB及LHCⅡ-PCA-PEB的重组质粒(pCDFDuet-LhcII-cpcA-cpcEF-hox1-pcyA和pCDFDuet-LhcII-cpcA-cpcEF-hox1-pebS)，并将其分别转化进大肠杆菌工程菌株BL21感受态细胞中，将重组质粒进行表达制备；(4)将收集的菌体进行悬浮、破碎、离心、过滤、上样、咪唑梯度洗脱，纯化出的蛋白进行脱盐后保存在-80℃冰箱；(5)将纯化成功的融合蛋白与叶绿素a在体外经超声处理、反复冻融以及脱盐等结合纯化步骤，即得宽吸收光谱重组光合蛋白分子。上述所涉及的引物LHCⅡ-F序列为5’-GCGGATCCGGGTAATGATCTGTGGTATGGTC-3’，引物PCA-R序列为5’-ATGAGCTCCTACTAGCTTAGGGCGTTGATC-3’，引物LHCⅡ-PCA-F序列为5’-CAACCAAATTTGCTCCGGGCAGCGGCGGCGGCAGCGGCGGCGGCAGCATGAAAACCCCCCTAACCGAAG-3’引物LHCⅡ-PCA-R序列为5’-CTTCGGTTAGGGGGGTTTTCATGCTGCCGCCGCCGCTGCCGCCGCCGCTGCCCGGAGCAAATTTGGTTG-3’。本专利技术利用分子生物学和基因工程的手段，结合藻胆蛋白色基体内组合催化技术，构建叶绿素结合蛋白/藻胆蛋白融合分子，并在大肠杆菌工程菌株(BL21)中进行外源表达，再将叶绿素a与叶绿素结合蛋白/全色基藻胆蛋白融合分子进行体外重组，得到既包含LHCⅡ又包含藻胆蛋白吸收光谱的宽吸收光谱光合蛋白光敏剂。为大规模制备重组全色基藻胆蛋白和LHCⅡ及其与叶绿素a的体外重组提供了成熟的方法，为探究生物基染料敏化太阳能电池的应用及拓宽生物染料敏化剂吸收光谱范围提供了新的思路。附图说明图1为本专利技术实施例1中PCR产物1％琼脂糖凝胶电泳结果；图2为本专利技术实施例2中LhcⅡ-cpcA连接产物1％琼脂糖凝胶电泳结果；图3为本专利技术实施例3中双酶切产物1％琼脂糖凝胶电泳结果；图4为本专利技术实施例4中LHCⅡ-PCA-PCB和LHCⅡ-PCA-PEB的菌体PCR电泳图；图5为本专利技术实施例5中LHCⅡ-PCA-PCB和L本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽吸收光谱重组光合蛋白分子，其特征在于，所述重组光合蛋白分子由叶绿素结合蛋白与全色基藻胆蛋白的融合蛋白以及叶绿素a在体外进行结合得到。

【技术特征摘要】
1.一种宽吸收光谱重组光合蛋白分子，其特征在于，所述重组光合蛋白分子由叶绿素结合蛋白与全色基藻胆蛋白的融合蛋白以及叶绿素a在体外进行结合得到。2.根据权利要求1所述的一种宽吸收光谱重组光合蛋白分子，其特征在于，所述融合蛋白为藻蓝蛋白α亚基cpcA基因与叶绿素结合蛋白LhcⅡ基因经重叠PCR融合后所构建表达的蛋白分子。3.一种宽吸收光谱重组光合蛋白分子的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)分别将藻蓝蛋白α亚基cpcA基因与叶绿素结合蛋白LhcⅡ基因进行PCR扩增延伸，然后切胶，进行胶回收；(2)以胶回收得到的片段为模板，进行重叠PCR，得到融合片段LhcⅡ-cpcA，将PCR产物进行回收，得到融合基因片段；(3)将融合基因片段与T载体进行连接，得到pMD19-T-LhcⅡ-cpcA质粒，取pCDFDuet-1质粒，分别对二者进行双酶切，并进行胶回收，分别得到目的片段LhcⅡ-cpcA和相应载体；并分别将藻胆色素合成相关基因cpcEF、hox1、pcyA以及pebS等基因经适当酶切后连接到同一载体上，构建得到可表达LHCⅡ-PCA-PCB及LHCⅡ-PCA-PEB的重组质粒，并将重组质粒转化进菌体内进行扩增表达；(4)将收集的菌体进行悬浮、破碎、离心、过滤、上样、咪唑梯度洗脱，将融合蛋白纯化出来；(5)将纯化成功的融合蛋白与叶绿素在体外进行结合，即得宽吸收光谱重组光合蛋白分子。4.根据权利要求3所述的一种宽吸收光谱重组光合蛋白分子的构建方法，其特征在于，步骤(1)中所述的PCR扩增的操作为：分别以pUC19-LhcⅡ为模板，LHCⅡ-F和LHCⅡ-PCA-R为引物；以pCDFDuet-cpcA-cpcEF-hox1-pcyA质粒为模板，LHCⅡ-PCA-F和PCA-R为引物配制PCR体系，进行目的片段LhcⅡ和cpcA的扩增。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛保胜，于倩，侯琪琪，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37