基于酵母细胞内腔调控合成无机纳米材料的影响因素及机制研究

Based on the fact that our project team had successfully synthesized CaCO3 nanoparticles inside living yeast cells and studied its potential application, to be in line with the green, simple, economic energy cost and controllable synthesis principle, our project team plan to further utilize the entocoele of living yeast cells as reaction synthesizer to synthesize more different series of inorganic nanomaterials which may have potential applications according to biological mineralization principle, such as some insoluble carbonates, calcium orthophosphates, sulfides and selenides (tellurides). We will conduct the research from three aspects: the first is about the regular influence of external conditions such as reaction temperature, conditions of cells culture etc. on the composition, size, morphology of the inorganic nano-materials synthesized in cell entocoeles; the second is to research the regular influential factors and mechanism of the internal environment of yeast cells on the size, composition, morphology and some other properties of the inorganic nano-materials synthesized inside the cell; the third is to study the relevancy between cell biological effect and the properties of inorganic nanometer materials like structure and morphology..This project could provide some references to establish a green and environmentally friendly synthesis way which would be simple and operated easily and also be with considerable repeatability to synthesize inorganic nano-materials with excellent performance according to biomanipulation. It would not only enrich the biological mineralization mechanism but also have important instructional significance about inaugurating the way to synthesize inorganic nano-materials and expanding its application.

基于项目组已在酵母活体细胞内腔成功合成纳米碳酸钙并研究了其潜在应用，本着绿色，简单，低能耗以及可控合成的原则，本项目拟进一步用酵母活体细胞内腔为反应合成器，依据生物矿化原理，选择合成系列具有潜在应用前景的不同种类的难溶碳酸盐、磷酸钙盐、硫化物及硒（碲）化物无机纳米材料，开展三方面研究：一是研究外界反应条件例如反应温度、细胞培养条件等对细胞内合成无机纳米材料组成、尺寸及形貌等性质的影响规律；二是研究酵母细胞内部环境对细胞内合成无机纳米材料组成、尺寸及形貌等性质的影响因素及机制；三是研究细胞内合成无机纳米材料的独特理化性质对其药物运输、骨修复及荧光标记等生物医学领域方面的潜在应用性能的影响。.本项目立意为探讨建立一种尺寸、组成及形貌可控，简单，环境友好的无机纳米材料的生物合成方法提供依据。该项目不仅能丰富生物矿化机理，而且对创新无机纳米材料的合成途径及拓展无机纳米材料的应用具有重要的指导意义。

基于细胞内腔为反应合成器，开展无机纳米材料的可控生物合成研究，对于创新无机纳米材料的合成方法、拓展无机纳米材料的应用都具有重要的理论和实际意义。按照项目计划书的内容，本着绿色，简单，低能耗以及可控合成的原则，用酵母活体细胞内腔为反应合成器，依据生物矿化原理，项目组合成出一系列具有潜在应用前景的不同种类的难溶碳酸盐(碳酸钡，碱式碳酸锌)、磷酸钙盐（羟基磷灰石）、硫化物（硒/碲）化物（硫化银，硒化银及硫化镉）、氧化物（二氧化硅）和金属单质（纳米银，纳米金，纳米硒）无机纳米材料。开展了三方面研究：一是研究外界反应条件例如反应温度、细胞培养条件等对酵母细胞内合成无机纳米材料组成、尺寸及形貌等性质的影响规律；二是研究酵母细胞内部环境对胞内合成无机纳米材料组成、尺寸及形貌等性质的影响因素及机制；三是研究酵母细胞内合成无机纳米材料的独特理化性质对其药物运输、骨修复及荧光标记等生物医学领域方面的潜在应用性能的影响。完成了预期的研究任务，达到了预期研究目标，得到了一些有意义的成果。归纳总结实验结果，认识的结论有三个方面：其一，揭示了外界反应条件与酵母细胞内部环境对酵母细胞可控合成无机纳米材料的影响规律，总结酵母细胞内调控的无机纳米材料的形成机制，认识细胞内一些生物组分（乙醇脱氢酶，硒醇化酶以及甘油醛-3-磷酸盐脱氢酶等）对纳米无机材料的调控功能，进一步从分子层面上研究了生物矿化机理。其二，为在常温常压条件下，建立一种组成、尺寸和形貌等性质可控的、重现性好及环境友好的无机纳米材料的细胞内调控的生物合成方法提供依据。其三，为指导更多的新物种（如藻类等）用于生物合成纳米研究，并合成更多种类具有优异性能的含有生物物质的无机纳米材料提供坚实的理论基础和实验依据。目前相关研究成果已发表学术论文11篇，国际和全国会议邀请报告2次，申请国家发明专利6项，其中已有5项授权，培养硕士研究生5名。