超顺磁磁铁矿颗粒的生物矿化机理及其磁效应研究

Studying the biomineralization mechanisms and magnetic effects of magnetite is significantly important for understanding how the geomagnetic field affect biosphere as well as developing novel magnetic nano-materials. Magnetoferritin is an ideal model for investigating the biomineralization mechanisms and biogeomagnetic function of interacting clusters of superparamagnetic magnetite found in organisms. Although it is characterized in vivo and could be biomimetically synthesized for biomedical application, the biomineralization mechanism and magnetic effect of interacting clusters of magnetoferritin remains unknown. In this project, we plan to synthesize magnetoferritin with superparamagnetic magnetite core in genetic engineering human ferritin cavity under different conditions. To reveal the biomineralization and biomimetic mineralization mechanisms of magnetoferritin and its reaction kenetics, combined techniques of spectroscopy, bio-inorganic chemisty,magnetic measurement and electron microscopy will be used to monitor the whole mineralization process and characterize mineralization precursors, intermidates and final products. In addition, magnetoferritin will be aggregated and self-assembled to form interacting clusters of superparamagnetic magnetite, in order to observe and measure the magnetic effect of these clusters under different magnetic field and direction. This project will enable better understanding of the magnetoreception based on magnetite and further help to elucidate the linkage between biosphere and geomagnetic field.

磁铁矿的生物矿化机理及磁效应研究是生物地磁学领域的前沿课题，对于理解地磁场影响生物圈的作用机理和开发新型纳米磁性材料至关重要。磁性铁蛋白是研究生物体内超顺磁磁铁矿颗粒簇矿化机理和生物地磁效应的理想材料。但是以往研究集中在磁性铁蛋白在生物体内的发现、仿生矿化及其生物医学应用，对其矿化机理和聚集成簇的磁效应非常地不清楚。项目拟以基因工程重组的人铁蛋白为研究对象，模拟不同的矿化条件，形成具有超顺磁磁铁矿核的磁性铁蛋白，综合利用光谱学、生物无机化学、岩石磁学和电子显微学技术实时地监测矿化过程，鉴定矿化中间和最终产物，获得反应动力学参数，揭示磁性铁蛋白仿生矿化和生物矿化机理。并以磁性铁蛋白为模式材料，使其聚集和自组装模拟体内的超顺磁磁铁矿颗粒簇，观察和测量其在不同磁场强度和方向中的磁效应，为认识地磁场影响生物圈基于磁铁矿的“磁受体”模型提供重要实验依据。

本项目通过地磁学、材料学和生命科学学科交叉，以超顺磁的磁性铁蛋白和与磁性铁蛋白具有类似结构的聚合物磁性纳米颗粒为材料，开展了系统的基础科学研究和初步的应用探索研究，取得多项创新性成果：1）发现磁性铁蛋白在矿化的过程中能够形成赤铁矿，具有小核粒径的磁性铁蛋白可以作为T1成像造影剂，应用于小鼠的磁共振血管造影；2）铁蛋白的外壳可以进行化学和基因工程两种修饰，发现聚乙二醇修饰能够提高铁蛋白的摄铁能力和耐受高温性能，甚至在反应溶液中加入聚乙二醇分子也可以使得磁性铁蛋白矿化形成更大粒径的核，表明铁蛋白外壳性能的改变可以影响核的矿化。另外铁蛋白的外壳还可以通过抗体Fc结构域结合蛋白进行修饰，能成为抗体的表面展示平台；3）发现不同含量钴可以掺杂入磁性铁蛋白的核内，显著提高磁性铁蛋白的过氧化物酶活性和肿瘤组织检测的灵敏度；4）从一株深海超嗜热古菌Pyrococcus yayanosil CH1（分离自大西洋中脊 4100 米水深Ashadze热液口）克隆和表达一种嗜热菌铁蛋白（PcFn），能仿生合成耐受110 oC的高温的磁性铁蛋白。5）发现一种磺化聚苯乙烯和丙二酸的共聚物（PSS-co-MA）能够自组装成类似于铁蛋白的笼型结构，仿生合成粒径可控的磁铁矿纳米颗粒，并能够在油水界面自组装形成能记录剩磁的超顺磁磁铁矿纳米颗粒簇，为进一步验证超顺磁“磁受体”模型奠定基础。