分子组装是以分子间弱相互作用为基础，各个组装单元之间协同构筑具有有序结构和功能化的分子聚集体。将分子组装与生物、物理、化学、材料等学科交叉，作为高技术和新概念材料的主要研究手段，在仿生模拟、生物成像、光电催化等领域具有广泛的应用前景。　　天然生物构筑模块结合人工合成分子，在分子水平上以“自下而上”的方式构筑新的模拟体系，拓展生物结构与功能，对于理解生物复杂的物质传输、能量传递和信息存储具有非常重要的意义。在自然能量转化过程中，ATP合酶是自然界存在的最小的生物分子马达，主要负责ATP合成与水解。自然界主要存在的光合磷酸化和氧化磷酸化这两种合成ATP的模式中均有其参与。基于以上背景，本论文设计的分子杂化系统，通过分子组装构筑光合磷酸化和氧化磷酸化的微反应器，进一步拓展其光合作用增强效应。主要内容如下:　　(1)受自然界光合细菌启发，利用层层组装技术将马达蛋白重组构建类原始细胞膜结构，以期获得高效的ATP转化效率。组装膜分区整合光产酸剂与ATP合酶，作为连接两者的Nafion膜既可以进行质子导通也可实现功能分区。组装得到的类细胞膜具有良好的透明性。在这样一个多层膜内，分区设计的限域空间为跨膜质子梯度的提高创造了条件，获得高效的转化效率(873ATP s-1)。这是已报道的最高效率的光合磷酸化体系。这样的生物仿生系统为早期光合生命能量转化提供了一种可能模式，将为未来发展的生物耗能生物传感、生物催化和生物器件等供能。　　(2)人工合成的光产酸剂与叶绿体耦合增强光合磷酸化。通过超声辅助的方法将合成的亚稳态长寿命光产酸剂引入叶绿体的类囊体中，原位增加跨膜质子梯度，推动ATP合酶效率。结果发现，这种人工-自然杂化系统的光合磷酸化效率是天然的叶绿体的3.9倍。这为增强光能转化，提高光合作用效率提供了新的模式。　　(3)构建“纳米+生物”杂化系统，通过合成与叶绿体吸收光谱光学匹配的具有大斯托克斯位移量子点(QDs)增强叶绿体光合磷酸化效率。这些量子点具有独特的光学特性，可将较少吸收的低波长的紫外光转化为叶绿体可用的高效红光。这种复合体的优势在于其能提高光系统Ⅱ分解水的效率，获得更高的跨膜质子梯度，提高光合磷酸化效率。与原始叶绿体相比，最佳效率提高了2.3倍。并且量子点发射光谱和叶绿体吸收光谱之间的重叠程度对光合磷酸化效率产生强烈影响。该工作合理地将自然系统与人造光捕获纳米材料相结合，打开了一条简单有效的途径来提升的太阳能转换效率。　　(4)探讨组装的杂化结构在纳米酶催化串联反应中实现模拟线粒体的氧化磷酸化。具体而言，合成负载金纳米粒子的中空二氧化硅微球以实现两种类似酶的催化反应，其在氧气存在下将葡萄糖转化成葡糖酸产生跨膜质子梯度，驱动天然ATP合酶将ADP和无机磷酸盐转化为ATP。这种组装的体系结构具有与天然线粒体相当的高度氧化磷酸化活性。这项工作提供了探索天然-人工杂化生物能源供应系统新原型，在以ATP为动力的生物应用中具有潜在应用前景。