在自然界中,无论从纳米尺度的结构定义还是功能角度出发,蛋白质都是最多样化的结构。其中,蛋白质的三级结构赋予了它丰富的功能包括催化、分子识别、细胞骨架组装等等。相当数量的天然蛋白质已经进化形成基于寡聚结构域的超分子组装体,这种复杂且高度有序的结构在生命活动中发挥了重要作用。受到自然界的启发,人们利用多种多样的生物活性蛋白质组装构建具有特定构象的纳米结构,这也为材料的精确控制及实现功能提供了巨大的可能性。与其它人造纳米结构相比,蛋白质组装体不仅可以形成特别精细的同时可以是不对称的纳米级结构,并且对于许多纳米技术应用而言也是相当重要的。在过去的几十年里,蛋白质组装领域迅猛发展,人们尝试多种多样的组装策略来构建从准零维到三维的多种纳米结构,包括蛋白笼、蛋白纳米管、纳米环、纳米片层、晶体结构等等。这些高度有序的蛋白质纳米阵列为生物传感、药物和基因传递、组织工程学、疫苗设计、生物催化以及生物纳米材料等多个领域提供了思路,使蛋白质组装体的应用获得了长足的发展。特别值得注意的是,二维生物纳米材料因其特殊的结构受到了广泛的关注。细菌中的S-layer、叶绿体中的类囊体等都是自然界中极具代表性的二维结构,这种精妙的平面结构对细胞功能的实现起到了重要作用。基于此,发展新的策略构建高度有序的二维蛋白质纳米阵列并实现其应用,对于揭开自然的神秘面纱具有深刻的指导意义。本论文旨在发展合适的组装策略探究二维蛋白质纳米片层结构的构建,精确调控及进一步功能化的实现。具体来说,我们利用具有高度热稳定性的环状SP1（stable protein one）为基本构筑基元。通过合理的设计及共价与非共价相互作用的结合,我们得到了高度有序的单层二维纳米片层结构,并成功实现了组装体尺寸的精确调控,组装与解组装的动态控制,及可用于模拟天然叶绿体的人工光捕获系统的构建。1.酶催化共价蛋白质组装构建规则纳米阵列共价组装的概念在材料科学和纳米技术领域都受到了广泛关注。此处研究的重点在于如何发展共价组装的方法操纵蛋白质定向组装从而构建规则纳米阵列。SP1环状蛋白因其特殊的C₆对称结构使其具有很强的可设计性,加之其本身的热稳定性令其在蛋白质组装领域有着独特的优势。考虑到蛋白质体系本身比较脆弱的微环境,我们发展了酶催化共价组装的方法用于构筑高度有序的纳米结构。在计算机模拟和基因工程等方法的辅助下,我们分别在SP1上下表面和侧表面合适位点引入酪氨酸,用于诱导蛋白质的定向组装。在辣根过氧化物酶催化作用下,垂直和水平方向引入的对称酪氨酸可以发生高效的共价偶联,从而定向生长分别形成一维的蛋白纳米管和二维的纳米片。通过调节pH控制SP1的表面电荷分布,我们能够实现单层纳米片到多层结构的转换。这种自组装蛋白质结构极强的稳定性使得它具有广阔的应用前景。2.光催化构建尺寸可控的二维蛋白组装体利用具有结构异质性,灵活性及复杂性的蛋白质进行精确的组装,用于构建可模拟自然界中精细结构的程序化阵列来发展蛋白质基的功能化纳米材料是一项重大的挑战。这里我们利用光刺激及共价偶联结合的方法,通过远程光控来制备尺寸可调的二维蛋白质纳米结构。利用Ru（bpy）₃²⁺作为光敏剂,SP1蛋白经过重新设计,在过硫酸铵存在下可以通过快速高效的蛋白共价偶联自组装形成纳米片层结构。在蛋白质的设计中,通过98位丝氨酸-酪氨酸的突变就可以实现在白光照射条件下的特异性共价偶联。这种光催化偶联反应在化学及拓扑学上的特异性使得它能够控制蛋白质组装形成二维的片层结构,其中环状的SP1S98Y沿着侧表面以有序的方式堆积生长。值得注意的是,蛋白纳米片的生长呈现了各向同性的特点,同时可以通过光照时间的动态调节实现组装体尺寸的精确控制。对这个二维周期性纳米结构进行热处理可以反映出良好的热稳定性,这一特点也为其通过功能化构筑多种生物纳米材料提供了可能。这部分工作证实了可见光催化偶联的策略是一种可用于构筑具有规则可控组装结构的蛋白质纳米阵列的温和且环境友好的方法。3.基于主客体相互作用调控蛋白体系的组装-解组装自组装以及它的逆过程（解组装）是自然界中十分普遍的过程,在细胞运动、转录、免疫应答、细胞凋亡等多个生理活动中都发挥着重要作用。受到自然界的启发,发展可调节组装-解组装的生物体系对于治疗及诊断等方面都有着重要的指导意义。这部分中我们利用主客体相互作用作为驱动力诱导蛋白质组装,构建规则有序的二维纳米片层结构。众所周知,一价紫精可以与CB[8]形成2:1复合物,我们希望利用此主客体复合作为linker,诱导蛋白质发生有序生长。基因工程的方法可以得到侧表面带有活性半胱氨酸的SP1S98C,可以与含有马来酰亚胺基团的一价紫精发生反应,从而化学修饰到蛋白质表面。在CB[8]存在条件下,利用二者的主客体作用驱动蛋白质组装体各向同性生长,最终得到规则的片状结构。进一步,在过量三肽分子FGG存在下,由于FGG与CB[8]的结合能力远强于一价紫精,从而发生竞争机制,将CB[8]从组装体中竞争出来,使体系发生解组装。因此,我们能够通过主客体相互作用及竞争结合的机制实现蛋白质体系的组装与解组装,这一过程的控制对于其在生物医疗领域的应用提供了可能。4.基于蛋白质的人工光捕获系统模拟天然叶绿体高度有序的蛋白质纳米阵列结构在设计构建功能化的生物纳米材料方面是十分有潜力的。这里我们利用共价与非共价蛋白质组装结合的方式构建人工光捕获系统来模拟天然叶绿体。首先利用突变型蛋白SP1S98Y,按照双酶（HRP/GOx）协同催化共价组装的方法构建出高度有序的二维蛋白质纳米片层结构。根据SP1的电荷分布特点得知,在生理条件下这个片层的表面是带负电的。进一步我们将具有独特光学和电学性质的荧光量子点引入到片层结构中。通过空间尺寸匹配及静电相互作用,两种不同尺寸的正电量子点分别作为供受体有序分布在负电的蛋白片层表面,从而构筑一套完整的光捕获系统,可以在供受体间发生显著的荧光共振能量转移。在这个体系中,蛋白质片层在结构上与天然类囊体有很好的相似性,分布于其表面的量子点也与类囊体外膜上的色素分子发挥着相同的荧光共振能量转移功能。因此,这个共组装体系对于在体外探究光合过程是十分有意义的,因为它是基于天然叶绿体进行设计的。