糖类活性小分子纳米探针在海洋微生物分析与调控中的基础研究

The detection of pathogenic bacteria is key to the prevention and identification of problems related to health and safety. Legislation is particularly tough in areas such as the marine engineering, where failure to detect an infection may have terrible consequences. This project aims to research the nanoprobe combined with the saccharide molecules as functional elements and nanomaterials as response lables in marine microbial detection and analysis in the single cell level. The oligosaccharide-based nanoprobes including N-Acetylmuramic acid,N-Acetylglucosamine,L-glyero-D-manno-heptose,and raffinose,conjugated with quantum dots, magnetic nanomaterials and fluorescent,respectively, will be devised. The performance of nanoprobe in bacteria detection and the functional express of biofilm will be studied. Despite these remaining challenges, a very bright future of small molecule nanoprobes can still be expected as a result of the presence of huge development space for researchers to better settle the issues mentioned above and explore more novel applications by designing and synthesizing novel nanoprobe. Looking ahead, we speculate that small molecules nanoprobes will display functions in more sophisticated and more in-depth biological systems, specially, the "spatiotemporal" and "dynamic" changes in complex biofilm.

海洋有害微生物是影响国民经济建设的重要因素之一，开展微生物检测和控制研究对国民经济建设有重大意义。本项目拟以寡糖活性小分子作为功能单元，在有机合成化学基础之上，结合特定的纳米材料，在单细胞水平上检测和分析海洋微生物。项目主要内容为：重点设计功能化的糖类分子（N-乙酰胞壁酸、N-乙酰葡糖胺、L-甘油-D-甘露-庚糖和棉籽糖）分别与量子点、磁性纳米材料和荧光素交联形成活性小分子功能纳米探针，考察这些小分子功能纳米探针在微生物快速检测和微生物膜原位表达分析中作用规律。本项目创新性体现在：分子水平上揭示活性小分子探针功能化的纳米材料与微生物作用关系，微观尺度水平上总结功能活性小分子与微生物膜相互作用的规律，特别为解决涉及微生物膜内"时间"、"空间"和"动态"变化的复杂生物学问题提供参考和借鉴。

本项目拟以寡糖活性小分子作为功能单元，在有机合成化学基础之上，结合特定的纳米材料，在单细胞水平上检测和分析海洋微生物。重点设计功能化的糖类分子（蔗糖、N-乙酰葡糖胺、水苏糖、葡萄糖和棉籽糖）分别与量子点、磁性纳米材料和荧光素交联形成活性小分子功能纳米探针，系统考察这些小分子功能纳米探针在微生物快速检测和微生物膜原位表达分析中作用规律。主要发现点如下：.①研究发现结合蔗糖酶与便携式血糖仪，将其用于微生物检测传感器的信号标记，其介导的适配体功能化的纳米粒子结合到细菌细胞表面来检测微生物。适配体-蔗糖酶复合物结合到了微生物细胞表面，利用便携式血糖仪来检测复合物产生的蔗糖浓度，这种分析系统的线性范围为1.2×10(5) -1.2×10(8) cfu/mL,其检测线为3.5×10(3) cfu/mL。.②研究发现基于聚合寡糖类功能化磁性颗粒与水溶性荧光聚合物相互作用的阵列响应技术检测微生物，并将其用于微生物检测传感器的标记和传感器信号放大。特征的荧光阵列信号可以通过线性判别分析来区分不同种类的微生物。对于10(7) cfu/mL的微生物，短时间内其区分度可以达到87.5%。对于OD值0.2的微生物，通过结合紫外分光光度法，这种方法检测微生物的准确率可以达到96.8%。.③开拓性将棉籽糖和水苏糖等小分子功能化量子点探针材料在微生物检测中信号放大作用，通过微生物主动运输过程使其分析微生物的耗时更短且检测信号更加准确。以大肠杆菌为例，其对于棉籽糖荧光探针的积累能到达到mmol。大肠杆菌对于棉籽糖荧光探针的吸收的最大速率Vmax=2.87 nmol/min。.④探索以棉籽糖和葡萄糖功能化Cu:CdS量子点为荧光标记物，利用荧光检测技术，探索其细菌浓度的快速检测方法。功能化量子点可在短时间内对10(1)-10(8) cfu/mL的微生物检测，且最低检测限为10 cfu/ml，远低于传统的平皿计数法。. 上述研究中， 8篇代表性论文被SCI收录（包括Biosensors and Bioelectronics等期刊）。申请专利授权专利4项。获得青岛市自然科学三等奖（排名第二），出版书籍《硫酸盐还原菌快速检测技术的设计与研究》（第二作者），科学出版社（2016）系统性总结了海洋环境中腐蚀微生物快速诊断技术和基础研究。