光下裂解水的方法
【专利摘要】本发明提供利用LEAT蛋白与醌，在光照条件下使水裂解放出氧的方法。该方法还能进一步产生其它化学品，例如氢。上述方法能持续地实现光能转化为化学能，具备极高的产业价值；操作简便、条件温和、能耗低、零污染、成本低且高效。本发明还提供鉴定LEAT蛋白的方法、改造野生型荧光蛋白增强其传递光能活性的方法以及将光能转化为化学能的方法。本发明还提供LEAT蛋白以及包含所述LEAT蛋白的组合物。
【专利说明】光下裂解水的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光下裂解水的领域。具体地说，本发明涉及利用一系列能够吸收和传递光能的蛋白使得水裂解，进而获得氢的方法。
【背景技术】
[0002]近几十年来，随着全球能源需求的持续增长以及以石油和煤为代表的矿物燃料资源的逐渐耗竭，寻找新能源的研究越来越受到人们的关注。氢能作为二次能源，具有清洁、高效、安全、可贮存、可运输等诸多优点，已普遍被人们认为是一种最理想的无污染绿色能源，因此受到了各国的高度重视。
[0003]目前，制氢的方法主要有以下几种:
[0004]1.电解水制氢
[0005]电解水制氢是目前应用较广且比较成熟的方法。将水作为原料制氢的过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式一定能量，则可使水分解。提供电能使水分解制氢的效率一般在75-85%，其工艺过程简单，无污染。但该方法存在耗电量高等明显缺陷，其应用受到相当限制。
[0006]此外，利用光电制氢的方法，即，太阳能氢能系统在国外已有实验性研究。但太阳电池转换能量效率，成本及使用寿命仍是无法克服的障碍。
[0007]我国目前的电解制氢装置均为小型电解制氢设备，其目的也非制备氢气作为能源。
[0008]2.矿物燃料制氢
[0009]以煤、石油及天然气为原料制氢是当今制氢的主要方法。该方法在我国都具有成熟的工艺，并建有工业生产装置。
[0010](I)煤为原料制取氢气
[0011]以煤为原料制氢的方法主要有两种:一是煤的焦化(或称高温干馏)，二是煤的气化。焦化是指煤在隔绝空气条件下，在900-100(TC制取焦碳副产品为焦炉煤气。焦炉煤气组成中含氢。煤的气化是指煤在高温常压或加压下，与气化剂反应转化成气体产物。气化剂为水蒸汽或氧(空气)，气体产物中含有氢等组分，其含量随不同气化方法而异。
[0012](2)以天然气或轻质油为原料制取氢气
[0013]该法是在催化剂存在下与水蒸汽反应转化制得氢气。反应在800-82(TC下进行。
[0014](3)以重油为原料部分氧化法制取氢气
[0015]重油原料包括有常压、减压渣油及石油深度加工后的燃料油，重油与水蒸汽及氧气反应制氢。
[0016]以上矿物燃料制氢的方法均存在成本偏高、能耗大、操作复杂以及有污染等缺陷。
[0017]1972年，日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授首次报告发现TiO2单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象，从而揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性，开辟了利用太阳能光下裂解水制氢的道路。随着电极电解水向半导体光催化分解水制氢的多相光催 化(heterogeneous photocatalysis)的演变和TiO2以外的光催化剂的相继发现，兴起了光下裂解水制氢的研究，并在光催化剂的合成、改性等方面取得较大进展。光催化水裂解生成H2和O2是高能垒反应，该类反应的Λ G>0 (Δ G=237kJ/mol)，此类反应将光能转化为化学能。目前使用的光催化剂主要有:钽酸盐、铌酸盐、钛酸盐、多元硫化物等等。
[0018]但是，迄今为止，人们所研究和发现的光催化剂和光催化体系仍然存在诸多问题，例如，光催化剂大多仅在紫外光区稳定有效，能够在可见光区使用的光催化剂不但催化活性低，而且几乎都存在光腐蚀现象，需使用牺牲剂进行抑制，能量转化效率低，这些都阻碍了光下裂解水的实际应用。
[0019]在另一方面，太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。
[0020]光电池，是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。其能将可见光转化为直流电。有的光电池还可以将红外光和紫外光转化为直流电。光电池是太阳能电力系统内部的一个组成部分，太阳能电力系统在替代现在的电力能源方面正有着越来越重要的地位。最早的光电池是用掺杂的氧化硅来制作的。其它的材料，例如CIS，CdTe和GaAs，也已经开发用来作为光电池的材料。但目前光电池所用的材料往往比较昂贵，光电池的成本居高不下，从而限制了其广泛应用。
[0021]此外，现有技术中将光能转化为化学能的过程不能持续进行，因而不具备产业价值。
[0022]综上所述，本领域急需操作简便、零污染、低成本、高效、持续的光下裂解水方法，从而能简便地将光能转化为化学能，进了转变为电能。
【发明内容】
[0023]本发明的目的在于提供一种利用光裂解水的方法。
[0024]本发明的另一目的在于提供一种产生氢的方法。
[0025]本发明还有另一目的在于提供一种加快产氢藻产生氢气速率或增加产氢藻产氢量的方法。
[0026]本发明还有另一目的在于提供一种鉴定LEAT蛋白的方法。
[0027]本发明还有另一目的在于提供一种改造野生型荧光蛋白增强其传递光能活性的方法。
[0028]本发明还有另一目的在于提供数种LEAT蛋白及编码其序列的多核苷酸。
[0029]本发明还有另一目的在于提供一种将光能转化为化学能的方法。
[0030]本发明还有另一目的在于提供LEAT蛋白在将光能转化为化学能中的用途。
[0031]本发明还有另一目的在于提供一种包含LEAT蛋白与醌的组合物。
[0032]本发明还有另一目的在于提供一种在光下裂解水的装置。
[0033]本发明还有另一目的在于提供一种产生氢气的装置。
[0034]在第一方面，本发明提供一种利用光裂解水的方法，所述裂解水的方法包括利用下列物质:
[0035](a)光能吸收和传递蛋白(LEAT蛋白)，[0036](b)醌；
[0037]在光下使得水裂解。
[0038]在优选的实施方式中，所述方法包括以下步骤:
[0039]利用LEAT蛋白与醌，在光下使得水裂解，放出氧。
[0040]在优选的实施方式中，所述光的波长为300-1000nm，优选320_760nm之间的可见光，更优选380-760nm之间的可见光。
[0041]在优选的实施方式中，所述光的强度是>0.1 μ mol IrTiV1,优选1-2 μ mo I IiT2S'
[0042]在优选的实施方式中，所述方法在pH为5-8.5，优选5.5-7.5，最优选6.5下进行。
[0043]在另一优选的实施方式中，所述的(a)组物质是一种LEAT蛋白分子，或两种或两种以上LEAT蛋白的混合物；所述的醌是一种醌分子，或两种或两种以上醌分子的混合物。
[0044]在另一优选的实施方式中，所述的LEAT蛋白选自荧光蛋白、非荧光生色蛋白或它们的突变体蛋白；
[0045]其中所述突变体蛋白是经一个或多个(如1-30个；较佳地1-20个；更佳地1_10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白。
[0046]在另一优选的实施方式中，所述的LEAT蛋白选自下组:
[0047](a)蓝色突光蛋白(Blue Fluorescent Protein, BFP)或其经一个或多个(如 1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白；
[0048](b)青色突光蛋白(Cyan Fluorescent Protein, CFP)或其经一个或多个(如HO个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白；
[0049](c)绿色突光蛋白(Green Fluorescent Protein, GFP)或其经一个或多个(如1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白；
[0050](d)黄色突光蛋白(Yellow Fluorescent Protein, YFP)或其经一个或多个(如1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白；
[0051](e)红色突光蛋白(Red Fluorescent Protein, RFP)或其经一个或多个(如1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白；
[0052](f)远红光突光蛋白(Far-red Fluorescent Protein)或其经一个或多个(如1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白；
[0053](g)近红外突光蛋白(Near Infra-red Fluorescent Protein)或其经一个或多个(如1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白；
[0054](h)非突光生色蛋白(non-fluorescent chromoprotein)或其经一个或多个(如1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白；
[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)的基础上经一个或多个(如1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白；
[0057]在另一优选的实施方式中，所述醌是苯醌或萘醌及其衍生物。
[0058]在优选的实施方式中，所述醌具有以下结构:
[0059]
【权利要求】
1.一种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质: (a)光能吸收和传递蛋白(LEAT蛋白)， (b)醌； 在光下使得水裂解。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的(a)组物质是一种LEAT蛋白分子，或两种或两种以上LEAT蛋白的混合物；所述的醌是一种醌分子，或两种或两种以上醌分子的混合物。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的LEAT蛋白选自荧光蛋白、非荧光生色蛋白或它们的突变体蛋白； 其中所述突变体蛋白是经一个或多个(如1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的LEAT蛋白选自下组: (a)蓝色突光蛋白(BlueFluorescent Protein, BFP)或其经一个或多个(如1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白； (b)青色突光蛋白(CyanFluorescent Protein, CFP)或其经一个或多个(如1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白； (c)绿色突光蛋白(GreenFluorescent Protein, GFP)或其经一个或多个(如1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白； (d)黄色突光蛋白(YellowFluorescent Protein,YFP)或其经一个或多个(如1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白； (e)红色突光蛋白(RedFluorescent Protein, RFP)或其经一个或多个(如1-30个;较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白； (f)远红光突光蛋白(Far-redFluorescent Protein)或其经一个或多个(如1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白； (g)近红外突光蛋白(NearInfra-red Fluorescent Protein)或其经一个或多个(如.1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白； (h)非突光生色蛋白(non-fluorescentchromoprotein)或其经一个或多个(如1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白； (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)的基础上经一个或多个(如1-30个；较佳地1-20个；更佳地1-10个；更佳地1-5个)氨基酸位点突变后其吸收光谱、荧光光谱或荧光强度发生或不发生改变，但依然能够利用光能裂解水的突变体蛋白。
5.如权利要求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。
6.一种产生氢的方法，所述方法包括以下步骤: (a)利用如权利要求1-5中任一项所述的方法裂解水； (b)与步骤(a)耦联的产氢步骤； 从而产生氢。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述(b)步骤与(a)步骤在同一体系或同一反应装置中进行。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述(b)步骤与(a)步骤在不同体系或反应装置中进行，进行(b)步骤的体系或装置处于进行(a)步骤的体系或装置的下游并且与(a)步骤的反应相耦联。
9.如权利要求6-8中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括:将LEAT蛋白与醌置于同一水性体系中； 步骤(b)包括以下步骤: (C)加入一种或多种能够利用还原型的醌分子进行氧化还原反应或进行电子传递的物质；和 (d)加入产氢酶，并且所述的产氢酶能够利用步骤(C)的产物来产生氢气。
10.如权利要求6-8中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括:将LEAT蛋白与甲基萘醌置于同一水性体系中；步骤(b)包括:加入甲基萘醌依赖的产氢酶。
11.一种加快产氢藻产生氢气速率或增加产氢藻产氢量的方法，所述方法包括以下步骤: (a)将LEAT蛋白转入产氢藻中； 从而加快该产氢藻的产氢速率或增加该产氢藻的产氢量。
12.一种鉴定LEAT蛋白的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: (a)将待测蛋白与醌置于水性体系中； (b)在光照条件下检测是否有氧或还原型的醌产生； 如果步骤(b)中检测到有氧或还原型的醌产生，则所述待测蛋白是LEAT蛋白。
13.—种改造野生型荧光蛋白增强其传递光能活性的方法，其特征在于，所述方法包括: (a)获得野生型荧光蛋白的突变体； (b)采用如权利要求12所述的方法检测突变体光裂解水放出氧的能力，或检测突变体还原醌的能力； 如果突变体利用光裂解水放出氧的能力或还原醌的能力比野生型提高，则该突变体传递光能的活性增强。
14.一种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)所限定的序列经过一个或多个氨基酸残基，优选1-20个、更优选1-15个、更优选1-10个、更优选1-3个、最优选I个氨基酸残基的取代、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。
15.一种多核苷酸，其特征在于，所述的多核苷酸为选自下组的序列: (a)编码如权利要求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)与(b)所不的序列同源性≥95%(较佳地≥98%)的核苷酸序列； (d)与(a)-(e)任一所述的核苷酸序列互补的核苷酸序列。
16.一种将光能转化为化学能的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: (a)利用LEAT蛋白与醌，在光照条件下使得水分解，从而将化学能储存在醌中。
17.LEAT蛋白在将光能转化为化学能中的用途。
18.一种组合物，所述组合物包含以下组分: (a)LEAT蛋白；和 (b)醌。
19.一种在光下裂解水的装置，其特征在于，所述装置包括一个或多个容器，所述容器中装有光能吸收和传递蛋白(LEAT蛋白)、醌与水，其中所述光能吸收和传递蛋白(LEAT蛋白)、醌与水可以处于同一或不同的所述容器中，从而能实施权利要求1-5中任一项所述的方法。
20.一种产生氢气的装置，其特征在于，所述装置包括一个或多个容器，所述容器中装有光能吸收和传递蛋白(LEAT蛋白)、醌与水，其中所述光能吸收和传递蛋白(LEAT蛋白)、醌与水可以处于同一或不同的所述容器中，从而能实施权利要求6-10中任一项所述的方法。
【文档编号】C12P3/00GK103910327SQ201210593691
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年12月31日 优先权日:2012年12月31日
【发明者】陈根云, 米华玲, 蔡伟明, 孙卫宁, 朱新广 申请人:中国科学院上海生命科学研究院