紫色细菌光合系统能将光能高效转换为化学能，对该光合系统进行模拟研究不仅能加深对自然光合机制的理解，而且有助于实现双碳目标。因此，基于人工系统模拟紫色细菌光合结构已经引起了众多科学家的研究兴趣。卟啉分子不仅与紫色细菌中细菌叶绿素有结构相似性，而且便于合成与修饰，因此可用于光合系统的模拟。尽管科学家们做出了很多的努力并取得了一些研究成果，但是模拟紫色细菌光合系统中多步协同的光合过程仍然是巨大的挑战 (图1)。因此，利用功能化卟啉分子结合已有的构筑策略，首先模拟紫色细菌环形光捕获阵列 (LH1和LH2) 和反应中心 (RC)，并在此基础上进一步将两者结合构筑核心光合结构LH1-RC复合物的模拟体系，研究如何在该模拟体系中实现光捕获、电荷分离和光化学反应的协同是很有必要的。

图1. 紫色细菌光合系统中主要光合过程示意图

近日，中国科学院上海有机化学研究所田佳研究员在Artificial Photosynthesis上发表了紫色细菌启发的集成式卟啉光合系统：从光捕获到人工光合的综述文章。本文概述了紫色细菌启发的集成式卟啉基光合系统的研究进展。首先作者讨论了紫色细菌光合系统中环状光捕获体系的模拟，主要思路为构筑环状卟啉结构 (图2)。随后讨论了紫色细菌反应中心模拟的研究进展，其思路主要为构筑卟啉二聚体模拟P870结构 (图2)。最后，考虑到紫色光合细菌中LH1-RC复合物为光能向化学能转化的关键结构，因此作者进一步讨论了现有如何将环状光捕获体系与反应中心模拟体系耦合，实现光捕获、电荷分离和光化学反应的多步协同过程 (图2)。

图2. 紫色细菌光合系统中环状光捕获阵列 (LH2和LH1 array)，反应中心 (RC)，和LH1-RC复合物模拟体系的构筑策略及相应功能

环状光捕获阵列的模拟：LH1和LH2结构主要通过构筑共价卟啉大环、卟啉超支化聚合物和卟啉超分子组装体模拟 (图3)。共价卟啉大环的构筑可通过银(I)促进的卟啉meso-meso位偶联、参考环对苯撑[n]CPP的合成和模板导向合成法实现 (图3a-c)；卟啉超支化聚合物的构筑可首先引入预组织的超支化骨架，再引入自由碱卟啉/锌卟啉作为能量给受体对实现构筑 (图3d)；卟啉超分子组装体也是构筑环状卟啉结构的重要途径 (图3e)，可借助功能化卟啉分子间堆积、配位键和氢键等弱作用力驱动的组装实现。通过合理的分子设计，上述策略均能实现高效的光捕获。

图3. 不同构筑策略得到的环状光捕获阵列示意图：(a) 银(I)促进的卟啉meso-meso位偶联、(b) 参考环对苯撑[n]CPP的合成方法和(c) 模板导向合成法获得的环状光捕获阵列；基于(d) 超支化聚合物骨架预组织和(e) 超分子组装获得的环状光捕获阵列

反应中心P870 (图4a) 的模拟：模拟思路主要为通过共价和组装策略构筑卟啉二聚体结构。共价策略构筑思路类似于分子镊子的构筑，通过引入合适的间隔基结构实现卟啉二聚体的预组织 (图4b-c)。相比之下，组装策略通过功能化卟啉的弱作用力组装得到卟啉二聚体 (图4d)。基于上述设计思路，反应中心模拟物不仅能实现高效电荷分离，而且可能进一步用于模拟光化学反应。

图4. 紫色细菌反应中心与相关人工模拟结构示意图：(a) Rhodopseudomonas viridis的反应中心结构和电荷分离/电荷复合过程示意图；(b-c) 基于共价键构筑的反应中心模拟结构及光激发后电荷分离/电荷复合过程；(d) 功能化卟啉基于超分子组装构筑反应中心模拟结构示意图

LH1-RC复合物模拟：为模拟LH1-RC复合物，需将环状光捕获阵列与反应中心模拟体系耦合，并且不同类型反应中心模拟物对LH1-RC模拟体系可实现的功能具有显著影响：从目前研究来看，引入大环类分子充当反应中心模拟体系可实现高效能量转移；引入卟啉或卟啉-富勒烯二元体系作为反应中心模拟体系可实现能量转移和电荷分离；如果引入金属配合物催化剂或金属纳米簇团模拟反应中心，则可以实现能量转移、电荷分离和（或）光催化CO₂还原 (图2)。

作者总结了紫色细菌启发的集成式卟啉基光合系统研究进展，以化学模拟体系为核心，结合生物与光物理的角度阐述化学体系如何在结构与功能层面模拟环状光捕获阵列 (LH1和LH2)、反应中心和LH1-RC复合物，并且详细总结了模拟体系的构筑策略。最后，作者总结了该领域亟待解决的问题：1. 目前模拟研究主要集中在环状光捕获体系，其它关键光合结构的模拟报道相对有限；2. 紫色细菌主要依靠量子相干机制实现光合过程，但人工体系难以模拟量子相干机制；3. 对反应中心P870的模拟主要聚焦于实现高效电荷分离，但更重要的光化学反应过程却鲜有模拟；4. 在模拟关键光合结构LH1-RC复合物时人工天线与反应中心模拟物的兼容性可能是个不可忽视的问题。

相关论文发表在高质量期刊Artificial Photosynthesis上，中国科学院上海有机化学研究所博士后韩逸飞为文章的第一作者，田佳研究员为通讯作者。该工作得到上海有机所以及金属有机化学国家重点实验室黎占亭教授团队的大力资助和支持。课题组长期招收研究生和博士后，有意者请联系田老师

(Email: tianjia@sioc.ac.cn)。

https://people.ucas.ac.cn/~tianjia 

2016年于复旦大学获博士学位，之后在美国麻省理工学院、英国布里斯托大学、加拿大维多利亚大学开展博士后研究，期间获欧盟玛丽居里学者计划资助。2021年入职上海有机所，主要开展基于光合作用中心及复合物模拟的超分子人工光合组装体构筑及功能研究，构筑了首例仿紫菌色素体和蓝藻藻胆体人工光合系统，实现了水相可见光驱动的水分解及CO₂选择性催化转化，揭示了自组装催化体系的天线效应、微环境效应及多尺度协同催化机制。在Nature、Nat. Catal.、Nat. Mater.、Nat. Chem.等期刊发表论文50余篇。主持国家重点研发计划青年项目、国家自然科学基金面上项目等，入选海外高层次人才引进计划青年项目、中国科学院BR计划等，现担任《Chinese Chemical Letters》青年编委。