基于活体细胞内原位仿生矿化组装的功能化细胞及其机理

Biomineralization has endows many organisms with peculiar functions under the modification of the intercellular inorganic nanostructure biosynthesized inside the cells. Inspired by the natural phenomena, we proposed functionalization of organisms by in-situ biomimetic assembly of the intercellular inorganic nanostructure inside the cells. Such a “internally biomimetic functionalized cells” strategy can endow living organisms new properties and novel functions resulted from the intercellular inorganic nanostructure assembled by in-situ biomimetic mineralization. The obtained functionalized cells with the intercellular inorganic nanostructure not only preserve the nature of cells but also endow cell with novel functions in biological and nanotechnological applications. Our group had successfully synthesized the functionalized yeast cells and erythrocyte with intercellular calcite carbonate and hydroxyapatite nanostructures and studied their potential applications in carrying anticancer drug and removal of heavy metals, respectively. Based on the existing works, the synthesis mechanism of functionalized cells with the intercellular inorganic nanostructure will be researched from three aspects: the first is about the influence of the substances of cells external and the reaction conditions on functionalized cells constructed by the intercellular inorganic nanostructure; the second is to research the influential factors of internal environment of cells on functionalized cells constructed by the intercellular inorganic nanostructure; the third is to study the new properties and new functions of the functionalized cells and the structure-activity relationship of functionalized cells. This project could provide the important theoretical and practical significance to understand the biological mineralization mechanism and build living biological functionalized materials.

在生物矿化过程中，细胞参与调控组装的无机纳米结构赋予了生命体奇特的功能。受此启发，我们的策略是于活体细胞内原位仿生矿化组装无机纳米结构并赋予细胞新的功能。这种功能化细胞在无机纳米结构与胞内蛋白、酶或基因的相互作用下，结合了细胞的生物性能和无机纳米材料的特性，致使其具有新的生物性能。我们已合成了胞内碳酸钙和羟基磷灰石等无机纳米结构构筑的功能化酵母和血红细胞，发现它们有药物传输和重金属去除的新功能。本项目将在现有工作基础上，有依据选用不同种类代表性活体细胞，开展胞内原位组装无机纳米结构以构筑功能化细胞的系统研究。主要有三个方面：一是研究细胞外物质及条件对胞内原位组装无机纳米结构构筑功能化细胞的影响；二是研究细胞内分子对原位组装无机纳米结构构筑功能化细胞的影响；三是研究功能化细胞的新性质和功能，及其“结构-性能”的关系。该项目对理解生物矿化机理及构筑新型活体生物功能材料有着重要的理论和实际意义。

基于生物矿化过程中，细胞调控组装的无机纳米结构能够赋予其奇特的功能，本项目开展了在胞内原位组装无机纳米结构构筑功能化细胞的系统研究，对合成新型活体生物功能材料及理解生物矿化机理有着重要的理论和实际意义。按照项目计划书的内容，结合细胞生物性能和无机纳米材料特性，本项目组在酵母细胞、血红细胞及大肠杆菌等细胞内组装具有潜在应用前景的不同无机纳米结构（难溶碳酸盐：碳酸钙；磷酸钙盐：羟基磷灰石；硫/硒/碲化物：硫化银/镉/铜及硒化银/镉；氧化物：二氧化硅；金属单质：纳米钯/铂/硅），分别构建了系列功能化细胞。开展了三个方面研究：一是研究细胞外条件对胞内原位组装无机纳米结构构筑功能化细胞的影响；二是研究细胞内分子对原位组装无机纳米结构构筑功能化细胞的影响；三是研究功能化细胞的新性质和功能，探讨其“结构-性能”的关系。完成了预期的研究任务，达到了预期研究目标，得到了一些有意义的成果。归纳总结实验结果，认识的结论有三个方面：其一，揭示了细胞外物质及反应条件对胞内原位组装的无机纳米结构的组成、结构、尺寸及成矿位置等因素对构筑功能化细胞的影响规律和机制，认识细胞壁/膜、无机离子浓度及pH环境等条件对无机纳米材料的调控作用。其二，揭示了酵母细胞内部分子（如乙醇脱氢酶，磷酸甘油酸激酶及3-磷酸甘油醛脱氢酶等）对胞内原位仿生组装无机纳米结构构筑功能化细胞的影响因素和机制，进一步从分子层面上研究了生物矿化机理。其三，分析了所构筑功能化细胞在生物医药、生物光催化及环境保护等方面的性能，分析功能化细胞中胞内无机纳米结构的性质与其新功能的构效关系。为构筑更多具有优异性能的新型活体生物功能材料提供坚实的理论基础和实验依据。目前相关研究成果已发表学术论文25篇，获授权国家发明专利4项，培养博士硕士研究生6名。