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生物蛋白以其专一性和高效性可以实现一些在热力学和动力学上较难完成的化学反应。以这些天然生物蛋白分子为基本单元，运用分子组装的方法，可以在体外模拟自然界中特定的细胞或细胞器的结构和功能，简化了生物体中复杂的生物化学过程，对于更好地理解这些生命基元的运作机理以及设计智能的生物器件具有重要作用。光合作用，作为地球上最基本的化学反应，为地球上生命提供了赖以生存的能量来源。这一复杂的化学过程主要由位于类囊体膜的膜蛋白完成。光系统Ⅱ是光合作用链上的第一种蛋白，其可以利用太阳能分解水获得质子、电子和氧气，而ATP合酶则利用质子催化合成ATP分子，为糖类的生成提供能量。基于其优越的催化性能，本论文致力于两种蛋白的分子组装，模拟和探索细胞器内的生物化学过程，为组装高级生物响应器件提供思路。论文主要内容如下: (1)将光系统Ⅱ与三维掺杂的导电聚合物纳米结构进行组装，构建了一种光电流密度和稳定性均有所提高的新颖生物杂化光阳极。这种带有负电荷的苯醌分子掺杂的聚吡咯纳米线通过简单的小分子模板诱导的电化学方法制备。经过表征，发现该纳米结构可以提高光系统Ⅱ的有效负载并有助于其光生电子传递。这种结合了自然光敏蛋白和人工导电聚合物的杂化体系在太阳能的生物转化中具有相当的潜在应用价值。 (2)利用模板诱导的分子组装结合层层组装技术，构建了等级有序的光捕获结构。在这一结构中，两种级联的自然光合磷酸化单元（光系统Ⅱ和ATP合酶）被区域化组装。在光照条件下，如同植物叶片中的栅栏组织，光系统Ⅱ分解水，在磷脂双层两侧形成相当可观的质子梯度推动ATP合酶合成ATP。该等级光捕获结构获得了与自然体系相比显著提高的光合磷酸化活性。这种仿生多级组装是一种简单有效的组装生物反应器的策略，通过结构优化，这些生物反应器可以有效地模拟并有可能超越自然。 (3)利用磁控溅射在玻璃基底上获得了特定形状的金纳米颗粒(AuNPs)阵列，并实现了ATP合酶脂蛋白复合体在AuNPs表面的组装。通过硫醇分子在AuNPs表面形成自组装单分子层的过程中释放质子，该原初器件完成了磷酸化过程，成功地利用相应的质子梯度合成ATP。经过拓展研究发现这种策略适用于多种水溶性短链烷硫醇分子。而且，该过程可以很好地移植到柔性基底上，为开发柔性的ATP驱动的生物响应器件打下了基础。 (4)通过分子组装的方法，设计了光产碱剂诱导的光合磷酸化体系。在酸性环境下，位于脂质体外部区域的质子可以被部分光诱导的产碱剂分解产生的氢氧根中和消耗，相应地建立起横跨磷脂双分子层的质子梯度驱动光合磷酸化过程。这种与自然体系完全不同的光合磷酸化过程提供了组装人工细胞能量工厂的新模型，为ATP供能体系的设计提供了新的研究思路。