研究人員通過在活細(xì)胞中時(shí)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(wù)的強(qiáng)大工具。鑒于在復(fù)雜的代謝過程中產(chǎn)生的大量反應(yīng)中間體和支持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的微妙氧化還原平衡，細(xì)胞可以作為一個(gè)有前途的化學(xué)工廠。然而，引導(dǎo)這些反應(yīng)和途徑合成所需產(chǎn)物仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冏匀淮嬖谟诩?xì)胞內(nèi)的不同時(shí)空維度中。龐戴文教授課題組提出了“納米晶時(shí)空耦合活細(xì)胞合成”的概念，即通過有目的地、精確地耦合一系列細(xì)胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)和代謝途徑，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)空順序上合成納米晶?；罴?xì)胞。

以酵母細(xì)胞作為一個(gè)例子，熒光半導(dǎo)體CdSe量子點(diǎn)(QD)具有可調(diào)諧發(fā)射波長可以通過偶合亞硒酸鈉的細(xì)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(dāng)?shù)夭倏v谷胱甘肽代謝途徑，可以大大提高量子點(diǎn)的產(chǎn)量，表明谷胱甘肽在 CdSe 納米晶體的生成過程中的關(guān)鍵作用。這種用于納米晶體活細(xì)胞合成的有吸引力的策略隨后已擴(kuò)展到細(xì)菌細(xì)胞和哺乳動(dòng)物細(xì)胞。值得注意的是，細(xì)胞衍生的微泡也可以被有效地原位標(biāo)記與細(xì)胞內(nèi)合成的量子點(diǎn)。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(xì)胞內(nèi)合成的量子點(diǎn)和含有量子點(diǎn)的細(xì)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(jī)制的啟發(fā)，已經(jīng)開發(fā)出模擬細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)的無細(xì)胞準(zhǔn)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(diǎn)以及其他無機(jī)納米晶體.這種通用的準(zhǔn)生物合成更加靈活多樣，進(jìn)一步加強(qiáng)了生物合成的方法論。

活細(xì)胞作為生化反應(yīng)的儲(chǔ)存庫，可以作為一個(gè)令人驚嘆的綜合化工廠，通過人工編程可以準(zhǔn)確地進(jìn)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(jī)制，以生產(chǎn)各種多功能晶體甚至復(fù)雜的異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)。我們提出的概念將使研究人員能夠更好地利用活細(xì)胞的意想不到的潛力，為合成生物學(xué)領(lǐng)域打開一扇新的窗口，并為生物學(xué)、化學(xué)和醫(yī)學(xué)的跨學(xué)科研究提供啟示。”龐教授說。

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