核糖体及细胞能量代谢参与的酵母细胞量子点生物合成机理研究

Biosynthesis of nanomaterials is attracting much attention of scientists interested in developing environmentally safe strategy for nanotechnology. Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 20677044), we presented a green route for utilizing living yeast cells as a biosynthesizer to manufacture uniform fluorescent CdSe quantum dots with size controllability. The most important element of such novel strategy is the rational coupling of intracellular unrelated biochemical reactions in an appropriate space and time sequence, which is totally different from previous reports on the biosynthesis of nanomaterials. Further proteomic investigations on the biosynthesized CdSe nanoparticles indicated that the inorganic core of such nanoparticles is encapsulated by about 280 proteins, which is mainly involved in the ribosome assembly and cellular energy metabolism. In this project, our efforts will concentrate on the roles of ribosome and ribosomal proteins in the biosynthesis of CdSe quantum dots and the detailed correlation between energy metabolism and intracellular nanofabrication process. The intention and significance of this project are: (1) elucidation of the roles of ribosomal proteins in the biosynthesis of CdSe quantum dots and the nanomaterials biosynthesis mechanisms, and determination of the transformation pathways and storage forms low-valenced selenium precursors; (2) exploring the universal mechanism involved in the intracellular nanofabrication process, and providing a heuristic guideline for the development of energy-efficient, safe and green nanotechnology.

生物合成纳米材料的相关研究备受关注。本课题组在国家自然科学基金项目（20677044）资助下，研究发现可在活细胞中可控合成不同粒径的荧光量子点，该体系不同于已报道的纳米材料生物合成体系，涉及细胞内原本不相干的两个生化反应在时空上的耦合，是一种新的细胞内生物合成模式；近期蛋白质组学分析发现生物合成的量子点结合有约280种蛋白质，其中有大量的核糖体蛋白和与细胞能量供给相关的蛋白质。本项目拟研究核糖体及蛋白在细胞内量子点生物合成中的作用，以及细胞能量代谢与量子点生物合成的相关性，其目的和意义在于：（1）揭示细胞内核糖体蛋白在CdSe量子点生物合成中的功能，解析细胞内CdSe量子点生物合成中Se2-的供体、贮存形态及转化方式，阐明负责蛋白合成的核糖体参与纳米材料生物合成的机理；（2）探讨细胞纳米材料生物合成过程中物质和能量代谢的一般规律，为探索低能耗、更为安全的绿色化学合成机理及方法提供参考。

利用生物相关体系合成纳米材料的研究受到广泛关注，生物体系中的代谢反应和基因表达具有精细的调控机制，但是对细胞内纳米生物合成的代谢调控机理知之不多。本项目基于课题组前期工作建立的酿酒酵母活细胞CdSe量子点生物合成体系，围绕酵母细胞能量代谢和硒代谢途径关键基因在CdSe量子点生物合成中的功能，从能量供给和物质转化的角度探讨了细胞内纳米生物材料合成的机理。项目按照预定计划进行，获得以下主要结果：1）通过对酿酒酵母BY4742突变库中所有与线粒体相关基因的筛选，梳理了与CdSe量子点合成相关的基因及其代谢途径，评估了氧化磷酸化与碳源对CdSe量子点合成的影响，明确了细胞能量代谢参与细胞硒化和CdSe量子点合成过程及其主要时期；2）通过遗传构建与制备分析硒化酿酒酵母核糖体蛋白，初步明确细胞内核糖体蛋白在 CdSe 量子点生物合成中可以作为硒“库”发挥作用；3）通过对酵母细胞硒代谢相关基因功能的研究，初步解析了细胞内CdSe量子点生物合成中Se2-的供体、贮存形态及转化基本途径，发现Se可以以不依赖于MET17的途径进入碳链；在CdSe量子点合成时，在胞内大量存在的SeMet主要通过SAM途径，在CYS3和CYS4基因参与下，Se2-在胞内从SeMet转化为SeCys，参与CdSe量子点合成；4）将在真核酵母细胞中建立的CdSe量子点生物合成方法拓展到原核细胞中，并初步实现了功能化应用，不仅为细胞内合成量子点研究的应用提供了思路，也为利用原核细胞研究体系深入探讨细胞内纳米生物材料合成中能量代谢和物质代谢的相关科学问题提供了便利。本研究明确了酵母细胞线粒体相关的细胞能量代谢途径在CdSe量子点合成中发挥着重要作用，且进一步证明了SeCys是胞内CdSe量子点合成的硒前体，而且也发现酵母细胞内Se代谢途径不完全与S代谢相同，这将有助于深入解析细胞内Se代谢途径。本项目对酵母细胞内CdSe量子点合成过程中细胞能量代谢与硒代谢途径的深入分析与理解，有助于更加有效地利用活细胞作为反应器/反应体系，将生物体系中复杂的生化反应途径及其精确的调控网络应用于纳米材料的合成。