生物合成量子點(diǎn)具有反應(yīng)條件溫和、綠色可持續(xù)、產(chǎn)物穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，因而是一種極具潛力的合成策略。目前能合成量子點(diǎn)的宿主多為細(xì)菌、真菌等微生物，由于參與合成的模板、離子等前體物質(zhì)在宿主內(nèi)呈分散狀態(tài)存在，因此難以實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞水平的限域合成，造成反應(yīng)可控性差、量子點(diǎn)合成效率低以及對(duì)宿主細(xì)胞毒性大等不足。
近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、微生物代謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的夏小霞及錢志剛課題組，通過(guò)蛛絲蛋白液-液相分離形成亞細(xì)胞區(qū)室的方式，在模式生物大腸桿菌胞內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)的區(qū)室化限域合成，不僅巧妙地將前體重金屬離子與宿主隔離，顯著減少了對(duì)宿主細(xì)胞的毒性，而且顯著提升了目標(biāo)量子點(diǎn)的合成效率和熒光壽命。
圖1 量子點(diǎn)在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)的限域合成 課題組在前期研究中發(fā)現(xiàn)，異源表達(dá)的蜘蛛絲等結(jié)構(gòu)蛋白通過(guò)液-液相分離在大腸桿菌胞內(nèi)形成“液滴樣”的無(wú)膜區(qū)室（Nat. Chem. Biol. 2020, 16: 1143-1148），進(jìn)而推測(cè)蛋白質(zhì)有序凝聚的特性可能有利于量子點(diǎn)的成核、生長(zhǎng)及成熟。因此，研究組測(cè)試了重組表達(dá)蛛絲蛋白的大腸桿菌能否支持量子點(diǎn)的限域合成，發(fā)現(xiàn)特定的蛛絲蛋白確實(shí)支持了模式量子點(diǎn)CdSexS1-x的區(qū)室化合成（以“點(diǎn)亮”細(xì)胞的熒光進(jìn)行表征）。單細(xì)胞熒光共聚焦顯微及掃描透射電鏡元素分析表明，發(fā)射熒光的量子點(diǎn)及組成元素的聚集位置均與蛛絲蛋白區(qū)室重疊，證實(shí)量子點(diǎn)在胞內(nèi)區(qū)室的限域合成。研究表明，不同分子量的蛛絲蛋白聚集體具有截然不同的量子點(diǎn)合成能力，而恰當(dāng)?shù)摩?折疊形成能力對(duì)于蛛絲蛋白特異性地發(fā)揮模板作用非常關(guān)鍵。 圖2 活細(xì)胞內(nèi)量子點(diǎn)限域合成的機(jī)理模型 機(jī)理研究表明，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的鎘離子可與蛛絲蛋白結(jié)合，誘導(dǎo)蛛絲蛋白從無(wú)規(guī)卷曲向β-折疊二級(jí)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而招募含硫還原劑并通過(guò)氧化還原反應(yīng)在區(qū)室內(nèi)合成量子點(diǎn)。體外重構(gòu)等實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)量子點(diǎn)的合成與蛛絲蛋白β-折疊的形成密切相關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)，區(qū)室化合成的量子點(diǎn)可以降低前體重金屬離子的細(xì)胞毒性，很好地體現(xiàn)了活細(xì)胞內(nèi)限域合成的優(yōu)越性。 該論文成果，首次建立了在活細(xì)胞內(nèi)通過(guò)區(qū)室化的蛋白質(zhì)模板限域合成量子點(diǎn)的新方法，不僅為量子點(diǎn)的生物合成研究提供了一種“限域合成”的新視角，證明了區(qū)室化限域合成的優(yōu)越性，而且可為亞細(xì)胞原位成像、生物修復(fù)、有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合催化等領(lǐng)域的應(yīng)用提供新機(jī)遇。 論文信息 Spatially Directed Biosynthesis of Quantum Dots via Spidroin Templating in Escherichia coli Meng-Ting Chen, Chun-Fei Hu, Hai-Bo Huang, Prof. Zhi-Gang Qian, Prof. Xiao-Xia Xia 文章的第一作者是上海交通大學(xué)的碩士畢業(yè)生陳夢(mèng)婷和博士后胡春飛。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202214177
