研究人員通過在活細胞中時空耦合合成納米晶體來創(chuàng)建超級生物系統(tǒng)

在過去的十年中，Cell 已被用作通過人工調(diào)節(jié)來完成意想不到的任務的強大工具。鑒于在復雜的代謝過程中產(chǎn)生的大量反應中間體和支持細胞穩(wěn)態(tài)的微妙氧化還原平衡，細胞可以作為一個有前途的化學工廠。然而，引導這些反應和途徑合成所需產(chǎn)物仍然是一個挑戰(zhàn)，因為它們自然存在于細胞內(nèi)的不同時空維度中。龐戴文教授課題組提出了“納米晶時空耦合活細胞合成”的概念，即通過有目的地、精確地耦合一系列細胞內(nèi)氧化還原反應和代謝途徑，在適當?shù)臅r空順序上合成納米晶?；罴毎?/p>

以酵母細胞作為一個例子，熒光半導體CdSe量子點(QD)具有可調(diào)諧發(fā)射波長可以通過偶合亞硒酸鈉的細胞內(nèi)還原代謝(鈉來合成2的SeO3與鎘離子(Cd的兩觸發(fā)解毒)2+)。通過適當?shù)夭倏v谷胱甘肽代謝途徑，可以大大提高量子點的產(chǎn)量，表明谷胱甘肽在 CdSe 納米晶體的生成過程中的關鍵作用。這種用于納米晶體活細胞合成的有吸引力的策略隨后已擴展到細菌細胞和哺乳動物細胞。值得注意的是，細胞衍生的微泡也可以被有效地原位標記與細胞內(nèi)合成的量子點。由于優(yōu)異的熒光特性、固有的高消光系數(shù)和生物相容性，細胞內(nèi)合成的量子點和含有量子點的細胞已成功轉(zhuǎn)化為用于生物檢測的納米生物探針，還創(chuàng)造了人工光合作用系統(tǒng)中的電子和能量中繼。

受上述機制的啟發(fā)，已經(jīng)開發(fā)出模擬細胞內(nèi)反應的無細胞準生物合成系統(tǒng)，以在溫和條件下制造各種納米晶體，如貴金屬納米粒子、合金納米粒子、熒光和功能化量子點以及其他無機納米晶體.這種通用的準生物合成更加靈活多樣，進一步加強了生物合成的方法論。

活細胞作為生化反應的儲存庫，可以作為一個令人驚嘆的綜合化工廠，通過人工編程可以準確地進行前體形成、納米晶成核和生長以及功能組裝。然而，目前的人工調(diào)控合成僅僅利用了代謝途徑的冰山一角。“我們希望吸引更多的研究人員探索新的策略和機制，以生產(chǎn)各種多功能晶體甚至復雜的異質(zhì)納米結(jié)構。我們提出的概念將使研究人員能夠更好地利用活細胞的意想不到的潛力，為合成生物學領域打開一扇新的窗口，并為生物學、化學和醫(yī)學的跨學科研究提供啟示。”龐教授說。

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