光下裂解水的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供利用LEAT蛋白與醌，在光照條件下使水裂解放出氧的方法。該方法還能進一步產(chǎn)生其它化學品，例如氫。上述方法能持續(xù)地實現(xiàn)光能轉(zhuǎn)化為化學能，具備極高的產(chǎn)業(yè)價值；操作簡便、條件溫和、能耗低、零污染、成本低且高效。本發(fā)明還提供鑒定LEAT蛋白的方法、改造野生型熒光蛋白增強其傳遞光能活性的方法以及將光能轉(zhuǎn)化為化學能的方法。本發(fā)明還提供LEAT蛋白以及包含所述LEAT蛋白的組合物。
【專利說明】光下裂解水的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光下裂解水的領(lǐng)域。具體地說，本發(fā)明涉及利用一系列能夠吸收和傳遞光能的蛋白使得水裂解，進而獲得氫的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾十年來，隨著全球能源需求的持續(xù)增長以及以石油和煤為代表的礦物燃料資源的逐漸耗竭，尋找新能源的研究越來越受到人們的關(guān)注。氫能作為二次能源，具有清潔、高效、安全、可貯存、可運輸?shù)戎T多優(yōu)點，已普遍被人們認為是一種最理想的無污染綠色能源，因此受到了各國的高度重視。
[0003]目前，制氫的方法主要有以下幾種:
[0004]1.電解水制氫
[0005]電解水制氫是目前應用較廣且比較成熟的方法。將水作為原料制氫的過程是氫與氧燃燒生成水的逆過程，因此只要提供一定形式一定能量，則可使水分解。提供電能使水分解制氫的效率一般在75-85%，其工藝過程簡單，無污染。但該方法存在耗電量高等明顯缺陷，其應用受到相當限制。
[0006]此外，利用光電制氫的方法，即，太陽能氫能系統(tǒng)在國外已有實驗性研究。但太陽電池轉(zhuǎn)換能量效率，成本及使用壽命仍是無法克服的障礙。
[0007]我國目前的電解制氫裝置均為小型電解制氫設備，其目的也非制備氫氣作為能源。
[0008]2.礦物燃料制氫
[0009]以煤、石油及天然氣為原料制氫是當今制氫的主要方法。該方法在我國都具有成熟的工藝，并建有工業(yè)生產(chǎn)裝置。
[0010](I)煤為原料制取氫氣
[0011]以煤為原料制氫的方法主要有兩種:一是煤的焦化(或稱高溫干餾)，二是煤的氣化。焦化是指煤在隔絕空氣條件下，在900-100(TC制取焦碳副產(chǎn)品為焦爐煤氣。焦爐煤氣組成中含氫。煤的氣化是指煤在高溫常壓或加壓下，與氣化劑反應轉(zhuǎn)化成氣體產(chǎn)物。氣化劑為水蒸汽或氧(空氣)，氣體產(chǎn)物中含有氫等組分，其含量隨不同氣化方法而異。
[0012](2)以天然氣或輕質(zhì)油為原料制取氫氣
[0013]該法是在催化劑存在下與水蒸汽反應轉(zhuǎn)化制得氫氣。反應在800-82(TC下進行。
[0014](3)以重油為原料部分氧化法制取氫氣
[0015]重油原料包括有常壓、減壓渣油及石油深度加工后的燃料油，重油與水蒸汽及氧氣反應制氫。
[0016]以上礦物燃料制氫的方法均存在成本偏高、能耗大、操作復雜以及有污染等缺陷。
[0017]1972年，日本東京大學Fujishima A和Honda K兩位教授首次報告發(fā)現(xiàn)TiO2單晶電極光催化分解水從而產(chǎn)生氫氣這一現(xiàn)象，從而揭示了利用太陽能直接分解水制氫的可能性，開辟了利用太陽能光下裂解水制氫的道路。隨著電極電解水向半導體光催化分解水制氫的多相光催 化(heterogeneous photocatalysis)的演變和TiO2以外的光催化劑的相繼發(fā)現(xiàn)，興起了光下裂解水制氫的研究，并在光催化劑的合成、改性等方面取得較大進展。光催化水裂解生成H2和O2是高能壘反應，該類反應的Λ G>0 (Δ G=237kJ/mol)，此類反應將光能轉(zhuǎn)化為化學能。目前使用的光催化劑主要有:鉭酸鹽、鈮酸鹽、鈦酸鹽、多元硫化物等等。
[0018]但是，迄今為止，人們所研究和發(fā)現(xiàn)的光催化劑和光催化體系仍然存在諸多問題，例如，光催化劑大多僅在紫外光區(qū)穩(wěn)定有效，能夠在可見光區(qū)使用的光催化劑不但催化活性低，而且?guī)缀醵即嬖诠飧g現(xiàn)象，需使用犧牲劑進行抑制，能量轉(zhuǎn)化效率低，這些都阻礙了光下裂解水的實際應用。
[0019]在另一方面，太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，也是清潔能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。在太陽能的有效利用當中；大陽能光電利用是近些年來發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域，是其中最受矚目的項目之一。
[0020]光電池，是一種在光的照射下產(chǎn)生電動勢的半導體元件。其能將可見光轉(zhuǎn)化為直流電。有的光電池還可以將紅外光和紫外光轉(zhuǎn)化為直流電。光電池是太陽能電力系統(tǒng)內(nèi)部的一個組成部分，太陽能電力系統(tǒng)在替代現(xiàn)在的電力能源方面正有著越來越重要的地位。最早的光電池是用摻雜的氧化硅來制作的。其它的材料，例如CIS，CdTe和GaAs，也已經(jīng)開發(fā)用來作為光電池的材料。但目前光電池所用的材料往往比較昂貴，光電池的成本居高不下，從而限制了其廣泛應用。
[0021]此外，現(xiàn)有技術(shù)中將光能轉(zhuǎn)化為化學能的過程不能持續(xù)進行，因而不具備產(chǎn)業(yè)價值。
[0022]綜上所述，本領(lǐng)域急需操作簡便、零污染、低成本、高效、持續(xù)的光下裂解水方法，從而能簡便地將光能轉(zhuǎn)化為化學能，進了轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]本發(fā)明的目的在于提供一種利用光裂解水的方法。
[0024]本發(fā)明的另一目的在于提供一種產(chǎn)生氫的方法。
[0025]本發(fā)明還有另一目的在于提供一種加快產(chǎn)氫藻產(chǎn)生氫氣速率或增加產(chǎn)氫藻產(chǎn)氫量的方法。
[0026]本發(fā)明還有另一目的在于提供一種鑒定LEAT蛋白的方法。
[0027]本發(fā)明還有另一目的在于提供一種改造野生型熒光蛋白增強其傳遞光能活性的方法。
[0028]本發(fā)明還有另一目的在于提供數(shù)種LEAT蛋白及編碼其序列的多核苷酸。
[0029]本發(fā)明還有另一目的在于提供一種將光能轉(zhuǎn)化為化學能的方法。
[0030]本發(fā)明還有另一目的在于提供LEAT蛋白在將光能轉(zhuǎn)化為化學能中的用途。
[0031]本發(fā)明還有另一目的在于提供一種包含LEAT蛋白與醌的組合物。
[0032]本發(fā)明還有另一目的在于提供一種在光下裂解水的裝置。
[0033]本發(fā)明還有另一目的在于提供一種產(chǎn)生氫氣的裝置。
[0034]在第一方面，本發(fā)明提供一種利用光裂解水的方法，所述裂解水的方法包括利用下列物質(zhì):
[0035](a)光能吸收和傳遞蛋白(LEAT蛋白)，[0036](b)醌；
[0037]在光下使得水裂解。
[0038]在優(yōu)選的實施方式中，所述方法包括以下步驟:
[0039]利用LEAT蛋白與醌，在光下使得水裂解，放出氧。
[0040]在優(yōu)選的實施方式中，所述光的波長為300-1000nm，優(yōu)選320_760nm之間的可見光，更優(yōu)選380-760nm之間的可見光。
[0041]在優(yōu)選的實施方式中，所述光的強度是>0.1 μ mol IrTiV1,優(yōu)選1-2 μ mo I IiT2S'
[0042]在優(yōu)選的實施方式中，所述方法在pH為5-8.5，優(yōu)選5.5-7.5，最優(yōu)選6.5下進行。
[0043]在另一優(yōu)選的實施方式中，所述的(a)組物質(zhì)是一種LEAT蛋白分子，或兩種或兩種以上LEAT蛋白的混合物；所述的醌是一種醌分子，或兩種或兩種以上醌分子的混合物。
[0044]在另一優(yōu)選的實施方式中，所述的LEAT蛋白選自熒光蛋白、非熒光生色蛋白或它們的突變體蛋白；
[0045]其中所述突變體蛋白是經(jīng)一個或多個(如1-30個；較佳地1-20個；更佳地1_10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白。
[0046]在另一優(yōu)選的實施方式中，所述的LEAT蛋白選自下組:
[0047](a)藍色突光蛋白(Blue Fluorescent Protein, BFP)或其經(jīng)一個或多個(如 1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白；
[0048](b)青色突光蛋白(Cyan Fluorescent Protein, CFP)或其經(jīng)一個或多個(如HO個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白；
[0049](c)綠色突光蛋白(Green Fluorescent Protein, GFP)或其經(jīng)一個或多個(如1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白；
[0050](d)黃色突光蛋白(Yellow Fluorescent Protein, YFP)或其經(jīng)一個或多個(如1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白；
[0051](e)紅色突光蛋白(Red Fluorescent Protein, RFP)或其經(jīng)一個或多個(如1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白；
[0052](f)遠紅光突光蛋白(Far-red Fluorescent Protein)或其經(jīng)一個或多個(如1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白；
[0053](g)近紅外突光蛋白(Near Infra-red Fluorescent Protein)或其經(jīng)一個或多個(如1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白；
[0054](h)非突光生色蛋白(non-fluorescent chromoprotein)或其經(jīng)一個或多個(如1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白；
[0055](i)氨基酸序列如SEQ ID NO:2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、34、36、38、40、42、44、46、48、50、52 或 54 所示的蛋白；
[0056](j)氨基酸序列在(i)的基礎(chǔ)上經(jīng)一個或多個(如1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白；
[0057]在另一優(yōu)選的實施方式中，所述醌是苯醌或萘醌及其衍生物。
[0058]在優(yōu)選的實施方式中，所述醌具有以下結(jié)構(gòu):
[0059]
【權(quán)利要求】
1.一種利用光裂解水的方法，其特征在于，所述裂解水的方法包括利用下列物質(zhì): (a)光能吸收和傳遞蛋白(LEAT蛋白)， (b)醌； 在光下使得水裂解。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的(a)組物質(zhì)是一種LEAT蛋白分子，或兩種或兩種以上LEAT蛋白的混合物；所述的醌是一種醌分子，或兩種或兩種以上醌分子的混合物。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的LEAT蛋白選自熒光蛋白、非熒光生色蛋白或它們的突變體蛋白； 其中所述突變體蛋白是經(jīng)一個或多個(如1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的LEAT蛋白選自下組: (a)藍色突光蛋白(BlueFluorescent Protein, BFP)或其經(jīng)一個或多個(如1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白； (b)青色突光蛋白(CyanFluorescent Protein, CFP)或其經(jīng)一個或多個(如1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白； (c)綠色突光蛋白(GreenFluorescent Protein, GFP)或其經(jīng)一個或多個(如1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白； (d)黃色突光蛋白(YellowFluorescent Protein,YFP)或其經(jīng)一個或多個(如1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白； (e)紅色突光蛋白(RedFluorescent Protein, RFP)或其經(jīng)一個或多個(如1-30個;較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白； (f)遠紅光突光蛋白(Far-redFluorescent Protein)或其經(jīng)一個或多個(如1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白； (g)近紅外突光蛋白(NearInfra-red Fluorescent Protein)或其經(jīng)一個或多個(如.1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白； (h)非突光生色蛋白(non-fluorescentchromoprotein)或其經(jīng)一個或多個(如1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白； (i)氨基酸序列如SEQ ID N0:2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、.28、30、32、34、.36、38、40、42、4 、46、48、50、52 或 54 所示的蛋白；(j)氨基酸序列在(i)的基礎(chǔ)上經(jīng)一個或多個(如1-30個；較佳地1-20個；更佳地1-10個；更佳地1-5個)氨基酸位點突變后其吸收光譜、熒光光譜或熒光強度發(fā)生或不發(fā)生改變，但依然能夠利用光能裂解水的突變體蛋白。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述醌是苯醌或萘醌及其衍生物。
6.一種產(chǎn)生氫的方法，所述方法包括以下步驟: (a)利用如權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法裂解水； (b)與步驟(a)耦聯(lián)的產(chǎn)氫步驟； 從而產(chǎn)生氫。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述(b)步驟與(a)步驟在同一體系或同一反應裝置中進行。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述(b)步驟與(a)步驟在不同體系或反應裝置中進行，進行(b)步驟的體系或裝置處于進行(a)步驟的體系或裝置的下游并且與(a)步驟的反應相耦聯(lián)。
9.如權(quán)利要求6-8中任一項所述的方法，其特征在于，步驟(a)包括:將LEAT蛋白與醌置于同一水性體系中； 步驟(b)包括以下步驟: (C)加入一種或多種能夠利用還原型的醌分子進行氧化還原反應或進行電子傳遞的物質(zhì)；和 (d)加入產(chǎn)氫酶，并且所述的產(chǎn)氫酶能夠利用步驟(C)的產(chǎn)物來產(chǎn)生氫氣。
10.如權(quán)利要求6-8中任一項所述的方法，其特征在于，步驟(a)包括:將LEAT蛋白與甲基萘醌置于同一水性體系中；步驟(b)包括:加入甲基萘醌依賴的產(chǎn)氫酶。
11.一種加快產(chǎn)氫藻產(chǎn)生氫氣速率或增加產(chǎn)氫藻產(chǎn)氫量的方法，所述方法包括以下步驟: (a)將LEAT蛋白轉(zhuǎn)入產(chǎn)氫藻中； 從而加快該產(chǎn)氫藻的產(chǎn)氫速率或增加該產(chǎn)氫藻的產(chǎn)氫量。
12.一種鑒定LEAT蛋白的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: (a)將待測蛋白與醌置于水性體系中； (b)在光照條件下檢測是否有氧或還原型的醌產(chǎn)生； 如果步驟(b)中檢測到有氧或還原型的醌產(chǎn)生，則所述待測蛋白是LEAT蛋白。
13.—種改造野生型熒光蛋白增強其傳遞光能活性的方法，其特征在于，所述方法包括: (a)獲得野生型熒光蛋白的突變體； (b)采用如權(quán)利要求12所述的方法檢測突變體光裂解水放出氧的能力，或檢測突變體還原醌的能力； 如果突變體利用光裂解水放出氧的能力或還原醌的能力比野生型提高，則該突變體傳遞光能的活性增強。
14.一種LEAT蛋白，其特征在于，所述LEAT蛋白包括: (a)氨基酸序列如SEQ ID N0:12、14、16、18、20、22、24、26、28 或 30 所示的蛋白；或 (b)包含(a)所限定的序列經(jīng)過一個或多個氨基酸殘基，優(yōu)選1-20個、更優(yōu)選1-15個、更優(yōu)選1-10個、更優(yōu)選1-3個、最優(yōu)選I個氨基酸殘基的取代、缺失或添加而形成的序列，且具有光解水功能的由(a)衍生的蛋白。
15.一種多核苷酸，其特征在于，所述的多核苷酸為選自下組的序列: (a)編碼如權(quán)利要求13所述蛋白的核苷酸序列； (b)序列如SEQ ID ΝΟ:11、13、15、17、19、21、23、25、27 或 29 所示的核苷酸序列; (c)與(b)所不的序列同源性≥95%(較佳地≥98%)的核苷酸序列； (d)與(a)-(e)任一所述的核苷酸序列互補的核苷酸序列。
16.一種將光能轉(zhuǎn)化為化學能的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: (a)利用LEAT蛋白與醌，在光照條件下使得水分解，從而將化學能儲存在醌中。
17.LEAT蛋白在將光能轉(zhuǎn)化為化學能中的用途。
18.一種組合物，所述組合物包含以下組分: (a)LEAT蛋白；和 (b)醌。
19.一種在光下裂解水的裝置，其特征在于，所述裝置包括一個或多個容器，所述容器中裝有光能吸收和傳遞蛋白(LEAT蛋白)、醌與水，其中所述光能吸收和傳遞蛋白(LEAT蛋白)、醌與水可以處于同一或不同的所述容器中，從而能實施權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法。
20.一種產(chǎn)生氫氣的裝置，其特征在于，所述裝置包括一個或多個容器，所述容器中裝有光能吸收和傳遞蛋白(LEAT蛋白)、醌與水，其中所述光能吸收和傳遞蛋白(LEAT蛋白)、醌與水可以處于同一或不同的所述容器中，從而能實施權(quán)利要求6-10中任一項所述的方法。
【文檔編號】C12P3/00GK103910327SQ201210593691
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月31日
【發(fā)明者】陳根云, 米華玲, 蔡偉明, 孫衛(wèi)寧, 朱新廣 申請人:中國科學院上海生命科學研究院