光合作用的第一步是高效地捕获和传递光能。作为有氧光合作用两大类型捕光复合物之一的藻胆体(另一类为主要存在于绿藻和维管植物的LHC II),位于蓝藻和红藻细胞的类囊体膜外朝向基质一侧,结构上主要由藻胆蛋白和连接蛋白构成,且功能上以不低于98%的效率捕获和传递光能至PS II。三种类型的藻胆蛋白单体的结构类似,由于含有不同数目和种类的色素分子以及藻胆蛋白结构的细微差别导致光能最大吸收波长不同。藻胆蛋白以不同寡聚形式,加上连接蛋白的作用,依靠氢键和极性相互作用,自发组装为高度有序的完整藻胆体结构。科学家尝试体外合成和组装藻胆体,但目前只达到三聚体形式,六聚体及更高级组装远未解决。我们总结了体外合成藻胆蛋白最新进展,并讨论了阻碍体外合成研究的可能原因。完整藻胆体的结构阐明以后,为藻胆体高效捕获和传递光能至光系统PSII反应中心的机制提供依据。为达到近原子分辨率,我们采用最新发展的冷冻透射电子显微镜(Cryo–EM)技术。体外提取藻胆体依靠高浓度磷酸盐水溶液(0.6–1.0 mol/L)维持复合物稳定,但该环境下晶体不生长,为常用的X射线晶体衍射结构(X–ray)解析带来了挑战。而Cryo–EM能在维持复合物稳定的高浓度磷酸盐下成像,但该环境下的样品在冷冻电镜下的衬度急剧下降。为解决此问题,第一,我们利用Gra Fix方法对藻胆体交联后降低磷酸盐浓度再电镜观察,发现与天然藻胆体结构存在差异。第二,改进冷冻制样技术,维持蛋白稳定的极短时间内降低磷酸盐影响的办法解决了该难题;之后利用relion 1.3软件,构建了Griffithsia pacifica藻胆体的三维初始模型,但是结果显示该膜上蛋白存在仍然优势取向的难题。第三,我们通过添加两亲性小分子多肽的办法正在改进,以期获得更置信的三维初始模型。硕士研究的另一项基础和应用研究,是在我们实验组前期研究新发现的一株嗜热蓝藻的五核六杆半圆盘形的藻胆体的结构基础上开展的。我们补充了生理生化实验和生物物理实验,目的是从功能上证实新结构的存在,验证其他科学家对PC 612蛋白定位的前期假设的正确性。染料敏化太阳能电池(Dye–Sensitized Solar Cell,DSSC)作为光电转换器件近年代来发展很快。我们基于上述嗜热蓝藻的藻胆体的三维结构模型,应用作敏化剂所组装DSSC获得了0.269%的光电转化效率和较高的热稳定性。在DSSC长期处于光照产生的热环境中,热稳定的敏化剂延长了组装后DSSC的使用寿命。我们还尝试进行核突变株的构建,用于下一步功能实验。迄今构建载体成功转化还未成功,相关课题近期会继续推进。