以活细胞为平台可控制备生物检测标记纳米材料

如何在绿色温和的条件下，有效控制纳米材料的组成、结构、尺寸、形状、示踪性能、稳定性以及生物相容性等性质以满足生物医学标记特别是涉及生物体内动态变化生物/化学信息获取的标记要求，一直是一大难题。若不进一步突破"纳米-生物"界面控制这一瓶颈，纳米标记技术的优势仍无法充分体现。利用生物体内各种高效专一的生化反应实现对生物标记材料的可控合成是一种崭新思路。本项目拟从利用并向自然界中的生物体系学习入手，采用活细胞合成和构建"类生物体系"仿生合成等策略，根据由多个生化反应所构成的反应途径以及所涉及反应的热力学、动力学等原理进行设计，从而有目的的对其加以调节和控制，甚至对多个不同反应途径进行程序化调控，实现生物相容性好、性能稳定、小粒径、低毒/无毒的荧光纳米材料的可控制备。本项目的研究工作不仅为生物检测标记纳米材料的可控制备提供了新方法，也为纳米领域的可持续发展提供了新的突破点。

在本项目的支持下，围绕项目任务和目标，通过三年的研究，已按计划完成任务，在活细胞及类生物体系可控合成生物检测标记纳米材料方面取得了一系列成果：（一）利用基因工程技术系统研究了活细胞合成量子点的分子机理，在此基础上建立了一套成熟的活细胞合成纳米材料的新技术，成功实现了对活细胞合成量子点的产率的控制，并利用活细菌获得了能应用于病原体检测的荧光纳米生物体探针，突破了以往通过生物合成技术得到的纳米材料无法进一步应用的瓶颈。（二）在理解活细胞合成机理的研究基础上，通过模拟细胞内环境成功构建了类生物体系。通过人为耦合原本在胞内发生的亚硒酸钠的酶催化还原代谢途径以及金属离子与氨基酸或短肽的配位反应成功构建了“类生物体系”。利用HPLC-MS方法对类生物体系的反应进行了在线监测，证实了与预期反应一致的中间体以及反应前体。（三）利用类生物体系在仿生合成小粒径、低毒/无毒或近红外发射等系列新型量子点等纳米材料方面取得了一系列进展，并在纳米标记材料的“结构-性能控制”方面得到了一定的规律。我们利用构建的类生物体系可控合成了PbSe、Ag2Se等近红外量子点，研究表明通过控制类生物体系内的离子、短肽等成分可以实现对PbSe量子点大小及形貌的控制；另外，利用类生物体系成功的实现了传统合成方法很难实现的对超小粒径Ag2Se量子点的可控合成，得到的Ag2Se量子点具有低细胞毒性、超小粒径、荧光穿透力强、荧光发射波长可调等优点，在可控合成Ag2Se量子点的基础上，我们还首次报道了Ag2Se量子点的近红外电致化学发光现象及其发光机理。此外，我们通过研究类生物体系中CdSe量子点生长的动力学，揭示了高活化能的前体转化步骤是类生物体系能够合成小粒径量子点的关键。以上这些研究成果表明在本项目支持下构建的活细胞合成体系及类生物合成体系不仅为生物检测标记纳米材料的可控制备提供了新方法，并且得到的材料具有良好的应用前景，也为理解纳米材料的“结构—性能控制”提供了新的思路。相关的工作在ACS Nano ,Analytical Chemistry, Journal of Materials Chemistry, Nanoscale等杂志发表，并获得授权专利2项。