首页 >
行业动态 > 活细胞中人工调控合成纳米晶体的研究进展
活细胞中人工调控合成纳米晶体的研究进展
南开大学庞代文教授t团队（National Science Review 2022, 9, nwab162）在本文中提出了 “人工调控时空耦合活细胞合成（ARLCS）” 策略，通过精确调控细胞内代谢路径，在生理条件下合成具有生物相容性的纳米晶体（如荧光量子点）。该方法突破了传统化学合成的毒性限制，利用细胞内谷胱甘肽（GSH）、NADPH 等生物分子作为还原剂，实现了纳米晶体的尺寸可调性和功能集成。此外，作者还扩展了准生物合成系统，模拟细胞内环境在温和条件下合成纳米材料，并探索了其在生物成像、病原体检测和人工光合作用中的应用。
研究背景
1）行业问题
传统化学合成需高温高压和有毒溶剂，产物生物相容性差，难以直接用于生物医学领域。
天然生物矿化过程受限于微生物自发代谢，无法定向合成非天然纳米晶体。
2）研究现状
已有研究利用微生物合成 CdS、PbS 等纳米颗粒，但机制依赖金属 - 硫醇多核簇的自发形成，产物尺寸和性能不可控。
部分研究通过基因工程优化代谢路径，但仍面临合成效率低、产物分离困难等问题。
3）本文创新
时空耦合策略：首次提出通过调控 Se/Te 前驱体还原与金属离子结合的时空顺序，实现 CdSe、Ag₂Se 等量子点的可控合成。
准生物合成系统：开发细胞 - free 体系，利用 GSH、NADPH 等生物分子模拟细胞内环境，简化合成流程并保持绿色特性。
多功能应用：将活细胞合成的量子点直接用于病原体检测、微泡标记和光催化产乙酸，避免复杂后处理。
实验和分析
1）材料合成与表征
CdSe 量子点：在酿酒酵母中添加 Na₂SeO₃和 CdCl₂，通过调控 GSH 代谢（如敲除 gsh1/gsh2 基因）优化前驱体生成，合成直径 2.69–6.34 nm 的荧光量子点，发射波长覆盖 520–670 nm。
Ag₂Se 量子点：准生物体系中利用 GSH/GR/NADPH 还原 SeO₃²⁻和 Ag⁺，合成 1.5–2.4 nm 的近红外荧光量子点，荧光量子产率 13.2%。
表征方法：HPLC-ICP-MS 追踪 Se 代谢中间产物，TEM 观察纳米晶体形貌，荧光光谱和 ECL 分析光学性能。
2）应用性能测试
病原体检测：金黄色葡萄球菌表面展示蛋白 A，结合抗体修饰后检测 H9N2 病毒，检测限达 8.94 ng/mL。
微泡标记：MCF-7 细胞合成的 CdSe 量子点自发标记分泌的微泡，90% 以上微泡荧光强度稳定。
人工光合作用：热乙酸菌合成的 CdS 量子点通过光生电子驱动 CO₂还原为乙酸，产率提升 3 倍。
3）性能机制分析
GSH/NADPH 调控：高浓度 GSH 促进 Se 前驱体生成，NADPH 提供还原力，ATP 参与能量驱动。
表面工程：Ag₂Se 量子点表面修饰葡萄糖或 Mn²⁺，增强肿瘤靶向性和 MRI 对比度（纵向弛豫率 12.87 mM⁻¹s⁻¹）。
总结
1）建立 ARLCS 策略，在酵母、大肠杆菌等活细胞中合成 CdSe、ZnSe 等量子点，并实现尺寸和荧光可调。
开发准生物合成系统，合成 Ag₂Se、PbSe 纳米材料，性能优于传统方法。
2）首次将时空代谢调控引入纳米合成，突破天然生物矿化的局限性。
提出 “细胞 - self” 标记概念，简化生物医学应用流程。
3）为绿色纳米材料合成提供新思路，推动合成生物学与纳米技术交叉发展。
量子点在体内成像、光催化等领域的应用为精准医疗和能源转化提供新工具。
Artificially regulated synthesis of nanocrystals in live cells
文章作者：An-An Liu, En-Ze Sun, Zhi-Gang Wang, Shu-Lin Liu, Dai-Wen Pang
DOI：10.1093/nsr/nwab162
文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwab162
本文为科研用户原创分享用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。
选择分类
购销咨询 
