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为解决蛋白 / 聚合物界面电子转移效率问题，研究人员开展光系统 I（PSI）/ 聚吡咯（PPy）复合材料合成研究。利用 PSI 的 P700反应中心氧化电位聚合吡咯，形成纳米颗粒。结果提升电子转移效率，为生物电化学系统设计提供新策略。
在生物电化学系统的设计中，如何高效实现蛋白质与外界的电子转移一直是关键挑战。光系统 I（Photosystem I, PSI）作为光合生物中重要的跨膜蛋白，虽具备近乎完美的内部量子效率和超过 1V 的电位差，其 P700反应中心氧化电位为 + 300 mV vs Ag/AgCl，Fb位点则拥有 - 700 mV vs Ag/AgCl 的强还原电位，理论上是理想的电子供体 / 受体，但蛋白质本身的绝缘性却限制了其与外界的直接电子交换。传统将 PSI 与导电聚合物结合的方法，如电化学沉积包埋、生物聚合物封装等，虽能构建生物混合材料并应用于太阳能活性层、催化等领域，却难以实现 PSI 活性位点与聚合物的直接电子转移，往往依赖电子中介体，这在一定程度上降低了系统效率。因此，开发一种能直接 “连接” PSI 反应中心与导电聚合物的方法，成为提升生物电化学系统性能的关键。
为攻克这一难题，研究人员开展了 PSI 与聚吡咯（Polypyrrole, PPy）复合材料的合成研究。通过利用 PSI 自身的光氧化能力，在光照条件下将吡咯单体聚合为导电聚合物，构建 PSI/PPy 纳米复合材料。该研究成果发表在《Biomacromolecules》，为生物与电子器件的界面整合提供了新思路。
研究采用的关键技术方法包括：
- PSI 提取：从菠菜中通过羟基磷灰石离子交换柱分离纯化 PSI，经透析处理去除表面活性剂，获得浓度约 2 mg/mL 的 PSI 溶液。
- 光聚合反应：将 PSI 多层膜沉积在导电氧化铟锡（ITO）基底上，浸入含吡咯单体和高氯酸钠的水溶液中，通过红光或白光照射引发聚合反应，控制光照时间（0-48 小时）调控复合材料生长。
- 表征技术：运用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）观察微观形貌，通过光电流法（PCA）检测电子转移效率，结合傅里叶红外光谱（FTIR）和能量色散 X 射线光谱（EDX）分析成分。
结果与讨论
光聚合时间对电子转移的影响
光电流法（PCA）显示，当光聚合时间从 0 延长至 4 小时，复合材料的光电流显著增加，表明 PPy 成功 “连接” 到 PSI 的 P700反应中心，形成高效电子传输路径。然而，超过 4 小时后，尽管聚合物膜厚度持续增加，光电流却不再显著提升，说明初始阶段的 PPy 链形成是电子转移效率提升的关键，后续聚合物生长对效率贡献有限。
光照条件与 PSI 活性的作用
对比不同光照条件（白光、红光）和 PSI 活性状态（活化、失活）的实验表明，红光聚焦于 PSI 的 P700激发波长，其光聚合效果与白光相似，证实 PSI 的光活性是驱动吡咯聚合的核心因素。而失活 PSI（经煮沸和紫外处理）在相同条件下无法引发聚合，且无明显光电流响应，进一步验证了 PSI 功能的必要性。
复合材料的微观形貌演变
扫描电子显微镜（SEM）揭示了复合材料的生长过程：聚合初期（4 小时），PPy 以柱状或 “藤壶” 状结构贯穿 PSI 多层膜；随时间延长（8-12 小时），结构逐渐致密化，形成蜂窝状组织；最终（超过 12 小时），柱状结构融合为球形纳米颗粒。透射电子显微镜（TEM）结合能量色散 X 射线光谱（EDX）显示，球体内部均匀分布硫元素（PSI 的特征元素），证实 PSI 被包裹于 PPy 基质中，形成稳定的复合结构。
对照实验验证特异性
通过化学氧化法合成的纯 PPy 纳米颗粒（不含 PSI）的 EDX 分析显示，其不含硫元素，排除了 PPy 自身产生硫信号的可能，进一步确认了 PSI/PPy 复合材料中硫信号源自 PSI，验证了复合材料的特异性组成。
结论与意义
该研究首次利用 PSI 的 P700反应中心氧化电位驱动吡咯光聚合，成功构建了 PSI/PPy 球形纳米复合材料。实验证实，这种复合材料不仅通过 PPy 链实现了 PSI 活性位点的直接电子转移，还通过球形结构扩大了表面积，显著提升了电子传输效率。与传统均相合成方法相比，基于 PSI 多层膜的异相光聚合策略能更高效地保留 PSI 的光活性，并诱导独特的纳米形貌形成。
这一成果为生物电化学系统的设计提供了全新思路：通过蛋白质自身光氧化能力原位生长导电聚合物，可实现生物组件与电子器件的无缝界面整合，避免传统方法中电子中介体的依赖和蛋白质活性损失问题。未来，该技术有望拓展至其他光合蛋白或酶体系，为太阳能驱动的生物催化、生物能源转换（如产氢、二氧化碳还原）等领域开辟新路径，推动生物 - 电子交叉学科的发展。
