ATP再生在体外生物合成途径中至关重要。目前多数体系采用底物水平磷酸化再生ATP，易造成无机磷积累，进而抑制催化反应过程。ATP合酶是生物体内光合磷酸化和氧化磷酸化过程中的关键酶，可以催化ADP和无机磷合成ATP，高效且无副产物积累。从催化机制上看，ATP合酶催化ATP的合成主要依靠跨膜的质子梯度，而质子梯度的产生是许多电化学池的固有特点，因此，将ATP合酶催化ATP合成的生物模块和电催化的化学模块相结合，有利于发挥各模块的长处，实现电能驱动的ATP合成，形成与光合磷酸化和氧化磷酸化并列的第三种ATP合酶参与的磷酸化方式。

近期，中国科学院天津工业生物技术研究所体外合成生物学中心张玲玲研究员带领的酶电催化研究团队，在电能驱动类囊体膜上的ATP合酶合成ATP方面取得重要进展。该工作首先提取了来源于菠菜Spinacia oleracea叶绿体基粒的类囊体组分，该组分负载着叶绿体内大部分ATP合酶，其结构与脂质体囊状单层膜结构类似。通过一步形态转变反应，团队成功将基粒类囊体膜转变成平面类囊体膜，并将其负载于电化学池中常用的质子交换膜Nafion上，赋予Nafion膜额外的生物活性。将该生物活性膜组装在电解水体系中，通过平面类囊体膜的制备优化和电解条件的优化，成功实现ATP合成与电化学反应的高效耦联，在施加3 V电压下，120 min内产生8.39±1.37 μM ATP，ATP合成速率最高可达15 nmol cm⁻²h⁻¹，法拉第效率为0.19%。尽管该体系在速率和能效方面仍有较大提升空间，但该工作为基于ATP合酶的ATP再生课题提供了一种新的能量转化模式。

该研究得到中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导专项等项目的大力支持。研究成果已在Angewandte Chemie International Edition 上发表。中国科学院天津工业生物技术研究所博士后常立静为论文第一作者，张玲玲研究员为论文的通讯作者。

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基于ATP合酶的ATP电合成及ATP合成体系的示意图