高利增研究组与合作者开发有机铁硫框架材料促进光合固碳

　　铁和硫是参与地球生物地球化学循环的重要元素，二者形成的硫化铁矿物广泛存在于地壳，并被认为与生命起源过程密切相关。在生物体内，铁和硫则以铁硫簇的形式参与多种生命活动。作为天然蛋白质的重要结构核心，铁硫簇能够通过电子的得失参与氧化还原反应，在固氮、细胞代谢和光合作用等过程中发挥关键作用。然而，天然铁硫簇通常不稳定，人工合成的铁硫簇也往往对氧敏感，需要在严格的无氧条件下制备和使用，限制了其实际应用价值。因此，如何兼顾硫化铁矿物的结构稳定性与生物铁硫簇的电子传递特性，是开发仿生铁硫功能材料的重要挑战。

　　光合作用是铁硫簇发挥电子传递功能的重要生物过程，也是植物固定二氧化碳、积累生物量的基础。近年来，利用纳米材料提升光合作用效率的研究受到广泛关注，已有研究主要通过改善光捕获和光能利用来增强光反应。相比之下，直接促进碳固定相关暗反应的材料策略仍有待拓展。借鉴天然铁硫蛋白的电子传递功能，构建能够与叶绿体协同作用的稳定人工铁硫簇纳米酶材料，有望为提高光合固碳效率提供新的思路。

　　2026年10月30日，中国科学院生物物理研究所高利增研究组与中国科学院遗传与发育生物学研究所刘翠敏研究组合作，在《Small》在线发表题为"Organic Iron Sulfur Framework With Electron Transfer Capacity Promotes Photosynthetic Carbon Fixation"的研究论文。研究团队将铁硫簇的电子传递功能与凝聚态类有机金属框架（MOF）的稳定性相结合，设计构建了一种含有独立铁硫簇的凝聚态有机铁硫框架材料（Organic Iron-Sulfur Framework，OISF）。

　　研究团队采用水热合成策略，引入对苯二甲酸作为有机连接配体，改变传统硫化铁矿物中铁、硫原子连续连接的致密晶格，构建含有独立铁硫簇的纳米片状框架。通过X射线衍射结构分析、同步辐射和穆斯堡尔谱等多种表征手段，研究人员对OISF的结构及其[2Fe-2S]核心进行了验证。该设计在凝聚态硫化铁矿物与分子尺度铁硫簇之间建立了联系，为稳定构建人工铁硫簇提供了新的合成思路。

　　进一步研究发现，OISF具有较强的电子传递能力，能够向多种电子受体传递电子，其氧化还原过程可通过化学条件进行调控。基于其结构进行分析，这一电子传递过程与层间独立铁硫簇的S-S键的动态形成有关。与传统硫化铁矿物相比，OISF表现出更高的氧化还原活性，同时具有较好的氧稳定性，为其与生物体系结合创造了条件。

　　基于上述特性，研究团队将OISF与离体叶绿体结合，构建OISF-叶绿体复合体系（OCC）。实验结果显示，与单独叶绿体相比，该复合体系具有更高的碳固定活性（在24h相较于单纯叶绿体提升1.54倍），提示OISF的电子传递能力可能成功进入暗反应电子传递链，并进一步促进叶绿体卡尔文循环的碳同化过程。在植物实验中，通过叶面喷施OISF能够促进菠菜生长，进一步展示了其作为纳米肥料的应用潜力。

图1. 有机铁硫框架材料OISF的构建及其促进叶绿体暗反应示意图

　　综上，该研究从天然铁硫簇的电子传递功能出发，为兼顾稳定性与氧化还原活性的仿生材料设计提供了新的思路，也为利用纳米酶提升光合作用暗反应电子传递链效率提供了实验和理论依据。未来仍需进一步解析OISF在光合电子传递链中的具体作用细节，为其在光合作用调控及农业领域的应用奠定基础。

　　中国科学院生物物理研究所高利增研究员和中国科学院遗传与发育生物学研究所刘翠敏研究员为论文共同通讯作者，中国科学院生物物理研究所博士研究生曹浩林和中国科学院遗传与发育生物学研究所张馨博士为论文共同第一作者。该研究得到中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金项目的资助。

　　文章链接：

　　https://doi.org/10.1002/smll.76352

（供稿：高利增研究组）