中科大李文卫和俞汉青J. Am. Chem. Soc.：通过调节细胞外电子转移来定向制造纳米颗粒

【引言】

近几年来，仿生学为各领域研究注入了新活力，尤其在新材料的合成与应用方面，一大批新型高价值材料的合成随仿生学而出现。新材料的微纳结构是其新功能的基础，但现有仿生材料都是仿照生物或细胞合成材料的结构特征制备的，其性能相比原装生物合成材料依然存在差距。因此，如果能够直接利用生物细胞来制造微纳结构材料，能以较低成本获得性能更佳的纳米材料。然而，由于现有合成纳米材料的原料一般是有毒金属化合物，通过细胞合成目标纳米颗粒很可能使细胞“出师未捷身先死”，又或者面临合成过程效率低且难以控制的问题，难以实现预期效果。由此，开发一种合适的生物反应器，并了解该细胞合成纳米颗粒的机理，对于完成用生物制造纳米材料这一伟大构想非常重要。
前人的研究表明异种金属还原细菌（DMRB），可依赖其胞外电子转移能力（EET）利用多种金属离子产生纳米颗粒。然而，EET过程往往十分缓慢且代谢途径、环境基质都很复杂，这严重限制了所得纳米颗粒的产量和质量。综上，提高EET过程效率、阐明代谢途径和环境基质交换的机理等，是实现控制生物高质量高产量制造纳米材料的关键所在。

【成果简介】

近日，中国科学技术大学李文卫特任教授、俞汉青教授（共同通讯作者）等人在期刊Journal of the American Chemical Society上发表了题为Directed Biofabrication of Nanoparticles through Regulating Extracellular Electron Transfer的文章。研究人员发现DMRB具有一种惊人的细胞内合成能力，可用于快速生产纳米粒子。这一发现使通过简单调节EET过程调整生物合成产品成为可能。通过实施EET调节策略，硒化镉硒（CdSe）或元素硒（Se⁰）纳米颗粒的定向生产在模型DMRB的希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）MR-1中实现。值得注意的是，高质量的CdSe纳米颗粒以远超现有生物合成系统的速率在细胞质中被制造出来。这一发现意味着将DMRB用于精细控制的高效生物合成过程具有巨大潜力。

【图文导读】

图1：调节EET获得不同产量纳米颗粒的示意图。

EET能力弱时模式细菌在细胞内大量产生CdSe荧光纳米颗粒，EET能力强时模式细菌在细胞外大量产生Se⁰纳米颗粒。因此，通过调节EET可实现该细菌定向合成CdSe和Se⁰纳米颗粒。

图2：对不同菌株生产的原料中Se氧化还原态、Se配位键含量和荧光性质的表征。

（a）不同氧化还原态Se 归一化K边缘XANES光谱；

（b）不同氧化还原态Se k²χ(k)的傅里叶变换K边缘 EXAFS光谱；

（c）紫外线照射下不同菌株的照片；

（d）不同菌株303 nm激发下的荧光发射光谱。

图3：对两种突变型菌株生产的纳米材料进行表征。

（a-c）对∆cymA（EET能力弱）菌株产生的纳米颗粒的形貌、大小及所含元素的表征；

（d-f）对PYYDT-cymA（EET能力强）菌株产生的纳米颗粒的形貌、大小及所含元素的表征。

（a）、（d）为TEM图，（b）、（e）为尺寸分布直方图，（c）、（f）为EDS能谱图）

图4：不同菌株合成纳米材料的性能表征。

（a-f）对∆cymA菌株合成的纳米颗粒的形貌、荧光及所含元素的表征；

（g-l）对WT(野生型)菌株合成的纳米颗粒的形貌、荧光及所含元素的表征；

（m-r）对PYYDT-cymA菌株合成的纳米颗粒的形貌、荧光及所含元素的表征。

（其中（a）、（g）、（m）为不同菌株荧光共聚焦图；（b）、（h）、（n）为不同菌株的SEM图；（c）、（i）、（o）为SEM图中箭头标记处的EDS能谱图；（d）、（e）、（j）、（k）、（p）和（q）为单细胞的TEM图像，显示形成纳米颗粒聚集体的位置；（f）、（l）、（r）为TEM图中箭头标记处的EDS能谱图）

图5：S. oneidensis MR-1 依赖EET合成纳米颗粒的机理示意图。

一部分SeO3^2-进入外膜，在CymA蛋白的作用下得到电子生成Se⁰纳米颗粒并分泌到胞外，另一部分SeO₃^2-进入内膜，与同样进入内膜的Cd²⁺在胞内合成CdSe纳米颗粒。

图6： 原料的细胞毒性测试。

（a-c）用Cd和Se处理不同菌株4小时后的荧光图；

（d-f）用Cd和Se处理不同菌株4小时后的流式细胞图。

（蓝色表示活细胞，红色表示死细胞）

【小结】

本研究中，研究人员提出了一种EET机制，使S. oneidensis MR-1菌株定向地在细胞内合成CdSe纳米颗粒，在细胞外产生Se⁰纳米颗粒，并对其合成机理进行研究。该研究是成功利用生物细胞制造纳米颗粒的典范，为后续利用细胞制造更多类型的纳米颗粒指明了道路。

文献链接：Directed Bioabrication of Nanoparticles through Regulating Extracellular Electron Transfer (J. Am. Chem. Soc.,2017, DOI: 10.1021/jacs.7b07460).

本文由材料人编辑部许城秀编译，雪琰审核，点我加入材料人编辑部。

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