细胞调控仿生合成矿化细胞的机制及其结构-性能相关性

Cells play an important role in biomineralization. But now the biomimetic mineralization was only researched at molecular level, and the researches at cells level are not enough depth and systems. Our project team had successfully synthesized CaCO3 and hydroxyapatite nanoparticles inside living yeast cells and studied its potential application. According to biological mineralization principle, in this project, the representative cells and insoluble inorganic salts will be chosed as the mediation substances and the mineralized materials to further research the mechanism of biomimetic synthesis and the structure-activity relationship of mineralized cells under the mediation of cells using microscopy techniques, cell biological techniques and molecular biology techniques. We will conduct the research from four aspects: the first is about the regular influence of external conditions such as the secretions of cells, conditions of cells culture and reaction temperature etc. on the biomimetic mineralization mechanism under the mediation of cells; the second is to research the regular influential factors and mechanism of the internal environment of cells on the biomimetic mineralization mechanism under the mediation of cells; the third is to study the properties of the mineralized cells and their performances on drug delivery, nano-materials storage, biocatalysis and fluorescent markers; the fourth is to explore the properties of inorganic nanometer materials synthesized under the mediation of cells, such as constitutes, structure, morphology and the synthesis mechanism. This project could not only provide the important theoretical significance to understanding the biological mineralization mechanism and exploring biological phenomena, but also provide the important practical significance to the innovation of the synthesis method of nano-materials and the biomimetic synthesis of the new functional nano-materials.

细胞在生物矿化过程中发挥着重要作用，但目前对仿生矿化合成的研究主要在分子层次上，对细胞层次的研究尚不够深入。我们已通过酵母活体细胞内腔调控合成了含有纳米碳酸钙的矿化细胞，研究了其性能和机理。本项目将依据生物矿化基本原理，有依据选用不同种类的代表性活体细胞和代表性难溶无机物分别为调控基质和成矿物质，利用显微技术和细胞分子生物学等研究手段，深入地在细胞层次上研究仿生合成矿化细胞的机制及其性质与结构的关系。拟开展的研究有四个方面：一是研究细胞膜和外界环境对调控仿生矿化的影响因素及机制；二是研究细胞内部环境对调控仿生矿化的影响因素及机制；三是研究得到矿化细胞的性质和潜在的应用及可能机理；四是研究在脱去细胞后的无机/生物分子杂化纳米粒子的组成、性质及机理。该项目不仅对进一步理解生物矿化机理、揭示生命现象有重要的理论意义，而且对创新纳米材料绿色合成方法、指导仿生合成新型功能纳米材料等具有重要实际意义。

生物矿化是一个重要的生命过程，在生命科学研究中占有重要位置。目前人们对生物矿化原理已有深入认识，并在其指导下用高分子、蛋白质等为基质，仿生矿化合成出了式样众多的无机纳米功能材料，在生物医学等领域展示出了广阔的应用前景。细胞在生物矿化过程中发挥着重要的调控作用，开展这方面的研究有着重要学术意义。然而，目前在细胞层次上认识生物矿化机制还亟待发展、开展在活体细胞层次上的仿生矿化研究还面临着许多挑战。基于此，本项目依据生物矿化基本原理，选用不同种类的代表性活体细胞和无机物分别为调控体和成矿物质，深入地研究了基于活体细胞合成矿化细胞的机制以及性质与结构的关系。主要研究内容有：研究了细胞膜和外界环境对仿生矿化的影响及机制；研究了细胞内蛋白质对仿生矿化的影响及机制；研究了得到的活体矿化细胞的性质及其机理；研究了脱去细胞后的无机/生物分子杂化纳米粒子的组成、性质及构效关系。取得的主要成果有：揭示了活体细胞内（外）原位合成矿化细胞的影响因素及机理，发展了无机纳米调控活体细胞性质的研究策略、丰富了新型结构生物材料（纳米功能化细胞）的绿色合成方法；认识了基于活体细胞原位合成的矿化细胞的物理化学和生物学性质及其机制，为发展纳米材料调控活体细胞的性能、丰富生物矿化机理和发现新型结构生物材料提供了理论依据；发现了非晶态等新型无机物/蛋白质杂化纳米结构材料的性质、潜在应用及其机理，为发展特殊无机/蛋白质杂化纳米结构材料提供了实验和理论基础。该项目不仅对进一步理解生物矿化机理、揭示生命现象有重要的理论意义，而且对创新纳米材料绿色合成方法、指导仿生合成新型纳米/生物杂化功能材料等具有重要实际意义。研究成果在Angew. Chem. Int. Ed. 等期刊上发表论文16篇，并多次被重要学术期刊或网站作为研究亮点报道，授权国家发明专利4项。项目组完成了计划任务，实现了预期目标，经费支出符合相关规定。