细菌生物被膜:纳米催化载体新选择
NSR 纳米人 2019-09-09

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核心内容:

1. 利用基因工程改造的大肠杆菌生物被膜,构建出无机纳米材料和细胞之间的相容性界面。

2. 成功构建了基于无机纳米材料与细胞界面的高效、可循环利用的催化反应体系。

 

无机纳米材料

无机纳米材料(1 - 100nm)比表面积较大,因而具有较多的催化活性位点,是性能出色的纳米催化剂。在实际使用中,人人常常会将纳米催化剂固定在载体上,从而实现催化剂的循环利用,并避免二次污染。

 

传统的纳米催化剂固定载体缺点

传统的纳米催化剂固定载体都有不足之处:无机材料(如二氧化硅微球)需要复杂的合成工艺;生物大分子(如DNA、蛋白纤维和噬菌体纤维)则难于规模化生产。此外,这些载体都不能像生物体系一样具有灵活的功能,并能够自我再生。

 

纳米材料与细胞结合挑战

近年来,将纳米材料直接负载于活细胞表面的方法备受关注。这种杂化体系整合了纳米材料和活细胞的优点,并且已被证明适用于生物能源生产、生物修复等领域。然而,纳米材料与细胞间的结合力较小,二者之间的直接接触还会对细胞本身产生毒害作用。因此,如何构建纳米材料与细胞之间更加牢固、兼容性更高的界面仍是挑战。

 

成果简介

有鉴于此,上海科技大学钟超课题组将目光投向细菌生物被膜(bacterial biofilm),利用基因工程改造的大肠杆菌生物被膜构建出无机纳米材料和细胞之间的相容性界面,并成功构建了基于此界面的高效、可循环利用的催化反应体系。

 

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图1. 工程改造的大肠杆菌生物被膜用于负载并固定无机纳米材料,实现多种催化应用

 

要点1:利用基因工程改造实现无机材料在细胞表面大规模负载

细菌生物被膜是由细胞外基质包裹多个细胞而形成的整体结构,在自然界中广泛存在。大肠杆菌生物被膜的主要蛋白成分是淀粉样纳米纤维,其分子生物学性质和自组装机理已经得到较多研究。前期的研究也已经证明,大肠杆菌生物被膜可经基因工程改造而获得新的功能。

 

在此研究中,研究者首先利用基因工程方法改造大肠杆菌,使其分泌带有组氨酸标签的淀粉样蛋白纤维,随后利用“NTA-Metal-His”的金属配位化学方法,实现纳米材料在大肠杆菌生物被膜表面的大规模负载。

 

要点2:构建出无机纳米材料和细胞之间的相容性界面实现多种催化应用

研究者选取了与能源、环境密切相关的三个反应,进行了实例展示:

利用生物被膜负载的金纳米颗粒,实现了可循环的对硝基苯酚还原反应。五个循环后转化效率仍然维持在80%。


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图2. 对硝基苯酚的可循环还原

 

利用生物被膜负载的复合结构(金纳米颗粒和量子点),实现了有机染料刚果红的加速光降解反应。该反应体系中,有两个因素共同促进了刚果红光降解速率的提高:其一,生物被膜表面的疏水结构域吸附有机染料,对环境中的刚果红进行了富集,从而增大了量子点附近的底物浓度,提高反应效率;其二,金纳米颗粒和量子点共同负载于生物被膜表面,两者之间距离较近,因此可以发生从量子点到金纳米颗粒的电荷转移,从而促进量子点中的电子空穴分离,提高光降解速率。


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图3. 刚果红的光降解

 

利用生物被膜绑定的量子点,并结合另外一株表达氢化酶的菌株,在光照条件下产生氢气。


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图4. 生物膜锚定量子点光照产氢


在实践中,研究者发现在催化反应进行之后,纳米材料依旧可以稳固负载于生物被膜表面,而细胞依然存活并能够再生。

 

小结

本研究展示了如何将生物体独特的动态特征与功能纳米材料相结合,从而设计出高效、可循环利用的催化反应体系。这些体系可以用于解决生物修复、生物转化和能源方面的重要问题。考虑到自然界中存在着各种各样不同功能的生物被膜,本研究开发的反应体系起到了很好的示范作用,为开发更高效、更具工业意义的催化反应打下了坚实基础。

 

参考文献

Immobilization of functional nano-objects in living engineered bacterial biofilms for catalyticapplications

DOI: 10.1093/nsr/nwz104

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwz104/5540752

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