在反向微囊体系中研究趋磁细菌Mms6蛋白的生物矿化分子机制

Magnetosome is a special "organelle" of biomineralization in magnetotactic bacteria. Its outer layer is encapsulated by biofilm, and its inner part is Fe3O4 nanocrystals. Mms6 protein plays an important role in magnetosome formation and crystal plane control. The project intends to construct a reverse microcapsule synthesis system by modifying Mms6 protein, simulate the natural magnetosome membrane environment, and biomimetically synthesize magnetic nanomaterials (Fe3O4) with biofilm. High resolution nuclear magnetic resonance (HRNMR) and other biophysical and biochemical techniques were used to characterize the inorganic components and protein states in different reaction stages, clarify the role of Mms6 in different reaction stages, and provide theoretical basis for further revealing the molecular mechanism of Mms6 regulating magnetosome formation and large-scale biomimetic synthesis of magnetic nanomaterials using Mms6 protein.

磁小体是趋磁细菌(Magnetotactic bacteria)内特殊的生物矿化“细胞器”，外层被生物膜包裹，内部是四氧化三铁(Fe3O4)纳米晶体，其中Mms6蛋白在磁小体形成和晶面控制方面起到至关重要的作用。项目拟通过改造Mms6蛋白，构建反向微囊的合成体系，模拟天然磁小体膜环境，仿生合成具有生物膜的磁性纳米材料(Fe3O4)。应用高分辨核磁共振等生物物理生物化学技术，对不同反应阶段的无机组分和蛋白状态进行表征，阐明Mms6在不同反应阶段的作用，为进一步揭示Mms6调控磁小体形成的分子机制，利用Mms6蛋白开展磁性纳米材料的规模化生物仿生合成提供理论依据。

生物矿化是蛋白等生物大分子诱导的矿物质沉积过程，形成矿化产物不仅尺寸与形貌具高度的均一性，而且还具有极佳的稳定性，生物兼容性及高效的材料性能。例如，在趋磁细菌体内由Mms6等蛋白调控形成的磁小体；由矿化白蛋白调控形成磁性蛋白纳米颗粒等。理解生物蛋白调控的矿化机制以及基于生物蛋白开发新型仿生矿化体系，为生物矿化研究的提供一个重要新方向。在本项目支持下，主要在以下两个个方面取得重要进展。1）提出了类磁小体仿生合成的新策略：考虑到趋磁细菌生物矿化所需的两个关键因素，磁小体膜与磁小体调控蛋白，研究人员通过在反相胶束体系中引入Mms6蛋白，构建了一个类似天然磁小体囊泡的纳米反应器，在体外重构了趋磁细菌磁小体生物矿化的微环境。通过这一方法，仿生矿化合成的类磁小体晶体成具有与天然磁小体一致的立方八面体的晶型以及类似的磁学性质及高饱和磁化强度，可以快速响应外部磁场。仿生合成的类磁小体还具有优异的单分散性、均一的小尺寸和良好的亲水溶性。这项工作不仅为纳米药物磁靶向递送提供一个高效的载体，也为体外研究趋磁细菌生物矿化机制提供了新的模式系统。2）成功地利用矿化BSA蛋白仿生合成体系实现无机纳米与蛋白有机结合，构建出白蛋白-磁铁矿纳米鱼雷药物载体，实现了疏水化疗药物阿霉素的高效装载。新型纳米鱼雷药物载体由白蛋白与四氧化三铁组成，具有极佳的生物兼容性，可以被生物体高效吸收和降解。多项的体外与体内实验数据表明新型载体兼顾了无机纳米和蛋白载体的优势，有效地解决了疏水性小分子化疗药物的泄露问题，延长了血液循环中的半衰期，完成了药物高效定点胞内运送和肿瘤抑制。并且基于透射电镜、结构生物学分子动力学模拟，团队提出了蛋白质-药物-纳米颗粒复合纳米鱼雷的复杂分子结构。研究结果证实了阿霉素(Dox)包封稳定性的结构基础，揭示了纳米鱼雷作为药物载体的构效关系，拓展了药物传递系统的研究范围。 项目资助累计发表SCI论文8篇和北大中文核心论文1篇，其中包括1篇PNAS、 2篇Chemical Engineering Journal、 1篇ACS Applied Materials & Interfaces)、1篇Ceramics International。