光合作用是一种古老而重要的化学反应,通过捕光体系对光能高效的吸收,能够将光能转化为生物能。藻胆体是红、蓝藻中主要的捕光天线复合物,也是光合放氧生物的两大捕光蛋白复合物类型之一。藻胆体由藻胆蛋白和连接蛋白构成,藻胆蛋白则是由藻胆素色基与脱辅基蛋白通过共价键联接而成。藻胆蛋白通过构成有序的藻胆体,使藻胆体可以吸收不同波长的光能,并且能量在藻胆体内能够以95%以上的效率传递到光反应中心。藻胆蛋白由于具有优异的光学特性,被广泛应用于生物医学等领域。近年来通过基因工程构建的体外重组藻胆蛋白,不仅为研究藻胆蛋白的能量传递提供了新的途径,而且为开发生物传感器的提供了新的途径。本文对天然和基因重组藻胆蛋白的制备、光谱特性以及应用展开了以下几方面的研究:1.以紫球藻(Porphyridium cruentum)为材料,研究了B-藻红蛋白(B-PE)的高效分离纯化方法。首先利用渗透压法对细胞进行破碎,使B-PE从紫球藻中释放到溶液中,然后分别利用超滤法,硫酸铵盐析法和壳聚糖吸附法对B-PE进行粗提,最后用SOURCE 15Q离子交换层析进行纯化。纯化后得到分析级的B-PE,纯度(A565/A280)可达5.1,回收率高达68.5%,为商业化生产分析级B-PE提供了参考。SDS-PAGE电泳表明B-PE的α和β亚基分子量为18~20 kDa,γ亚基的分子量约为27 kDa。光谱数据表明,B-PE在545 nm和565 nm有2个吸收峰,在498 nm处有1个肩峰,荧光发射峰在575 nm和620 nm。对B-PE在250~750 nm范围内圆二色谱(CD)数据的解析表明,B-PE在近紫外区260 nm和305 nm有两个CD峰,分别由苯丙氨酸和色氨酸产生,两种芳香族氨基酸可能共同处于疏水的蛋白微环境中。推测B-PE在PEB139α/PEB158β和PEB82α/PEB82β两个位置,形成耦合的激子对,4个耦合分子内以激子分裂的形式进行能量传递,其它色基之间则以福斯特共振进行能量传递,最后对B-PE内能量传递的途径进行了预测。2.对MAC工程菌株的培养条件进行了优化,进行了3次10 L密度发酵,获得大量表达MAC的菌体。MAC(链霉亲和素-藻蓝蛋白α亚基融合蛋白)的表达量占菌体可溶性蛋白的比率可达43%,菌体密度OD600最大达到12.5,收集到MAC菌体湿重总量达到约400 g。随后对工程菌的破碎条件进行优化,并对MAC的进行了层析纯化。SDS-PAGE结果表明,纯化后的MAC仅有一个亚基,分子量为在76 kDa附近,与预期的蛋白分子量相符。MAC在近紫外-可见光区共有3处吸收峰,分别位于340 nm和370 nm和625 nm;在575 nm还有一个肩峰,MAC的最大荧光发射峰位于640 nm,圆二色谱中的吸收峰结果与吸收光谱中一致。当对藻胆素或者芳香族氨基酸进行激发时,能够获得640 nm的荧光发射峰,表明能量能够通过藻胆素或者芳香族氨基酸传递至发色团。光谱结果表明MAC有正确的构象,并且具有良好的光学活性。3.构建基于MF0(基因重组藻蓝蛋白α亚基)和氧化石墨烯(GO)的葡萄糖生物传感器。首先用低分子量壳聚糖(CS)修饰氧化石墨烯,制得CS-GO复合物。GO-CS可以非特异性吸附MF0上的麦芽糖结合蛋白(MBP),造成MF0的荧光淬灭。当体系中存在葡萄糖时,MBP会特异吸附葡萄糖,造成MF0无法再吸附GO-CS,荧光强度增加。通过荧光的强度变化,可以间接对葡萄糖含量进行定性和定量分析。该葡萄糖生物传感器的检测线性范围为0.1~1 mg/mL,最低检测限(LOD)为0.05 mg/m L,具有较高的灵敏度和选择性。4.选择7种不同特性的藻胆蛋白作为染料敏化二氧化钛光阳极,组装成染料敏化太阳能电池(DSSC)并研究其光电特性。结果表明B-PE能够明显提高DSSC的光电性能,得到DSSC的短路电流、开路电压、填充因子和光电转化效率为分别为0.809 A/cm2、0.545 V、0.569和1%。所构建的胶原蛋白/羧基化碳纳米管/聚丙烯酰胺复合凝胶,不仅利于DSSC封装,同时可增进光电转换效率,提高光电池的短路电流,能够作为准固态电解质,推进染料敏化太阳能电池的实际应用。结合晶体结构和圆二色谱数据,解析了藻胆蛋白染料敏化DSSC的IPCE和ICE光谱,为研究藻胆蛋白的结构和功能提供了新的途径。