Mater. Chem. Front. | 单宁酸-铁离子络合物表面修饰法在纳米材料-酿酒酵母杂化体系上的应用前景探究_合成生物

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Mater. Chem. Front. | 单宁酸-铁离子络合物表面修饰法在纳米材料-酿酒酵母杂化体系上的应用前景探究

发布时间 2021-04-09 10:19点击次数 269次

2021年3月18日,中国化学会与英国皇家化学会联合筹办期刊Materials Chemistry Frontier在线发表了文章“Insight into the tannic acid-based modular-assembly strategy based on inorganic–biological hybrid systems: a material suitability, loading effect, and biocompatibility study”。中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所王博副研究员和深圳大学材料学院吴丹副研究员为该文章的通讯作者,合成生物学研究所任晓宁、阴盼晴、梁俊为该文章的共同第一作者。文章考察了单宁酸-铁离子(TA-Fe图片)络合物表面修饰法在构建材料-生物杂交体系中的应用。以TA-Fe图片为粘附层,实现了三种常见光敏纳米材料InP nanoparticles, Bi nanospheres和g-C3N4 nanosheets在酿酒酵母表面的高效粘附,并通过细胞呼吸、死活细胞染色、DNA/RNA/钾离子泄露等实验证实了该修饰方法的生物安全性。

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本研究中材料-生物杂化体系意指将无机光敏材料和天然生物系统结合所构建的杂交体系,通常可融合无机材料和生物体的特性而带来新的应用,在靶向给药、半人工光合作用制备高附加值化学品等方面具有巨大潜力。目前已报导的材料-生物杂化体系构建方法几乎都存在颗粒特异性的局限,即只有特定的材料和生物细胞/组织之间可实现组合,而非任意的无机材料和生物细胞/组织之间均可两两组合。例如,生物矿化沉积法利用了微生物对硫化物的解毒效应,只适用于构建无机材料为硫化物的杂交体系;吞入法利用了微生物的跨膜运输,只限于量子点大小的无机材料;而现行的表面粘附法大都依靠特定颗粒间的结合位点。颗粒特异性的构建方法限制了材料-生物杂化体系研究的发展,有必要开发一些普适性的构建方法。

为此,文章系统考察了一种有效、普适、便捷、快速、安全的纳米超级结构组装方法—TA-Fe图片络合物表面修饰法在构建材料-生物杂化体系中的应用。成功构建了基于酿酒酵母细胞分别和三种常见光敏纳米材料InP Ns, Bi NSs和g-C3N4的杂交体系(图1):先将TA-Fe图片络合物包裹在纳米材料(NM)表面得到表面粘性的TA-Fe图片/NM,再将TA-Fe图片/NM与表面正电处理后的酵母细胞混合得到TA-Fe图片/NM/Yeast(图2)。在构建过程中,选择杂化体系构建过程中5个变量进行梯度考察:TA-Fe图片/M制备过程中NM、TA、Fe图片浓度,TA-Fe图片/M/Yeast杂 化过程中TA-Fe图片/M的OD值、Fe图片浓度,为明确TA-Fe图片/NM/Yeast中NM粘附量的关键影响因素。经过对各样品SEM比对与半定量描述方法(1),发现NM粘附量与制备过程中NM的浓度、TA-Fe图片/M的OD值正相关,与TA、Fe图片浓度无关。

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式中,分别由电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP/OES)和流式细胞分析仪(flow cytometer)测得TA-Fe图片/NM/Yeast样品中金属纳米粒子含量mNM和细胞数NYeast。 

最后,DNA/RNA/钾离子泄露、细胞呼吸、死活细胞染色等实验证明了方法的生物安全性。

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图 1 TA–Fe图片/NM/yeast杂化体系制备示意图,NM = InP NPs, Bi NSs,或g-C3N4.

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图 2 Characterizations of the TA–Fe3+/NM/yeast biohybrids. SEM images for: (A) TA–Fe图片/InP/yeast, (C) TA–Fe3+/Bi/yeast, and (E) TA–Fe3+/g-C3N4/yeast, and (B, D and F) corresponding EDS mappings. (insets: corresponding TEM images of the thin-sectioned samples). 

该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院定量工程生物学重点实验室、中国科学院深圳先进技术研究院、深圳合成生物学创新研究院的支持。