中科大李文衛和俞漢青J. Am. Chem. Soc.：通過調節細胞外電子轉移來定向制造納米顆粒

【引言】

近幾年來，仿生學為各領域研究注入了新活力，尤其在新材料的合成與應用方面，一大批新型高價值材料的合成隨仿生學而出現。新材料的微納結構是其新功能的基礎，但現有仿生材料都是仿照生物或細胞合成材料的結構特征制備的，其性能相比原裝生物合成材料依然存在差距。因此，如果能夠直接利用生物細胞來制造微納結構材料，能以較低成本獲得性能更佳的納米材料。然而，由于現有合成納米材料的原料一般是有毒金屬化合物，通過細胞合成目標納米顆粒很可能使細胞“出師未捷身先死”，又或者面臨合成過程效率低且難以控制的問題，難以實現預期效果。由此，開發一種合適的生物反應器，并了解該細胞合成納米顆粒的機理，對于完成用生物制造納米材料這一偉大構想非常重要。
前人的研究表明異種金屬還原細菌（DMRB），可依賴其胞外電子轉移能力（EET）利用多種金屬離子產生納米顆粒。然而，EET過程往往十分緩慢且代謝途徑、環境基質都很復雜，這嚴重限制了所得納米顆粒的產量和質量。綜上，提高EET過程效率、闡明代謝途徑和環境基質交換的機理等，是實現控制生物高質量高產量制造納米材料的關鍵所在。

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學李文衛特任教授、俞漢青教授（共同通訊作者）等人在期刊Journal of the American Chemical Society上發表了題為Directed Biofabrication of Nanoparticles through Regulating Extracellular Electron Transfer的文章。研究人員發現DMRB具有一種驚人的細胞內合成能力，可用于快速生產納米粒子。這一發現使通過簡單調節EET過程調整生物合成產品成為可能。通過實施EET調節策略，硒化鎘硒（CdSe）或元素硒（Se⁰）納米顆粒的定向生產在模型DMRB的希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）MR-1中實現。值得注意的是，高質量的CdSe納米顆粒以遠超現有生物合成系統的速率在細胞質中被制造出來。這一發現意味著將DMRB用于精細控制的高效生物合成過程具有巨大潛力。

【圖文導讀】

圖1：調節EET獲得不同產量納米顆粒的示意圖。

EET能力弱時模式細菌在細胞內大量產生CdSe熒光納米顆粒，EET能力強時模式細菌在細胞外大量產生Se⁰納米顆粒。因此，通過調節EET可實現該細菌定向合成CdSe和Se⁰納米顆粒。

圖2：對不同菌株生產的原料中Se氧化還原態、Se配位鍵含量和熒光性質的表征。

（a）不同氧化還原態Se 歸一化K邊緣XANES光譜；

（b）不同氧化還原態Se k²χ(k)的傅里葉變換K邊緣 EXAFS光譜；

（c）紫外線照射下不同菌株的照片；

（d）不同菌株303 nm激發下的熒光發射光譜。

圖3：對兩種突變型菌株生產的納米材料進行表征。

（a-c）對?cymA（EET能力弱）菌株產生的納米顆粒的形貌、大小及所含元素的表征；

（d-f）對PYYDT-cymA（EET能力強）菌株產生的納米顆粒的形貌、大小及所含元素的表征。

（a）、（d）為TEM圖，（b）、（e）為尺寸分布直方圖，（c）、（f）為EDS能譜圖）

圖4：不同菌株合成納米材料的性能表征。

（a-f）對?cymA菌株合成的納米顆粒的形貌、熒光及所含元素的表征；

（g-l）對WT(野生型)菌株合成的納米顆粒的形貌、熒光及所含元素的表征；

（m-r）對PYYDT-cymA菌株合成的納米顆粒的形貌、熒光及所含元素的表征。

（其中（a）、（g）、（m）為不同菌株熒光共聚焦圖；（b）、（h）、（n）為不同菌株的SEM圖；（c）、（i）、（o）為SEM圖中箭頭標記處的EDS能譜圖；（d）、（e）、（j）、（k）、（p）和（q）為單細胞的TEM圖像，顯示形成納米顆粒聚集體的位置；（f）、（l）、（r）為TEM圖中箭頭標記處的EDS能譜圖）

圖5：S. oneidensis MR-1 依賴EET合成納米顆粒的機理示意圖。

一部分SeO3^2-進入外膜，在CymA蛋白的作用下得到電子生成Se⁰納米顆粒并分泌到胞外，另一部分SeO₃^2-進入內膜，與同樣進入內膜的Cd²⁺在胞內合成CdSe納米顆粒。

圖6： 原料的細胞毒性測試。

（a-c）用Cd和Se處理不同菌株4小時后的熒光圖；

（d-f）用Cd和Se處理不同菌株4小時后的流式細胞圖。

（藍色表示活細胞，紅色表示死細胞）

【小結】

本研究中，研究人員提出了一種EET機制，使S. oneidensis MR-1菌株定向地在細胞內合成CdSe納米顆粒，在細胞外產生Se⁰納米顆粒，并對其合成機理進行研究。該研究是成功利用生物細胞制造納米顆粒的典范，為后續利用細胞制造更多類型的納米顆粒指明了道路。

文獻鏈接：Directed Bioabrication of Nanoparticles through Regulating Extracellular Electron Transfer?(J. Am. Chem. Soc.,2017, DOI: 10.1021/jacs.7b07460).

本文由材料人編輯部許城秀編譯，雪琰審核，點我加入材料人編輯部。

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