Directed Biofabrication of Nanoparticles through Regulating Extracellular Electron Transfer

今天学习中科大俞汉青老师课题组文献一篇。

生物合成纳米材料与传统的化学方法相比，一般有效性较低，同时产物的可控性较差。这篇文章的重点是通过修饰胞外电子传递链，实现Shewanella oneidensis MR-1合成CdSe的组成和亚细胞定位的精细调控。调控的结果是可在细胞内合成高纯度，粒径均一的CdSe量子点，其产率和荧光强度均远超已知的生物合成系统。

异化金属还原菌是一类可以将多种金属离子转换为纳米颗粒的厌氧菌。其出色的性能与其胞外电子传递能力息息相关。

在以往的研究中，MR-1合成硒纳米颗粒已经有报道，但是能否合成CdSe尚不明确。作者利用暴露在亚硒酸钠和氯化铬中的MR-1进行实验，利用XANES和EXAFS确定了CdSe的存在（思考我们自己组的前期研究，实际上也有可能形成了硒化镉，但是因为检测手段的问题，不能得到确认）。

为了弄清楚细胞在哪里以及如何合成CdSe, 作者构建了敲除CymA基因的突变体，以及CymA过表达的突变体。CymA是一个关键的膜蛋白，可以使得细胞质内的电子传递到细胞周质中。因此，敲出了CymA的编码基因的突变体往胞外传递电子的能力会受到显著的抑制(此处利用了典型的胞外电子受体甲基橙的还原作为依据)。

作者随后发现电子传递能力的改变显著影响了硒还原的产物。利用XANES，作者发现敲除了CymA的突变体具有最高的CdSe的产量。利用软X射线成像技术结合SEM和TEM，作者发现敲除了CymA的细胞表面没有可以观察到的纳米颗粒，但是明显的硒和镉元素的信号可以被捕捉到。与之对应的，硒纳米颗粒可在过量表达CymA的细胞表面发现。作者利用了密度泛函理论计算了亚硒酸盐和Cd2+反应的Gibbs自由能，结果表明当Cd2+存在时，合成CdSe的可能性要大于亚硒酸盐被还原为Se单质。（这一部分感觉是审稿人问的问题，作者们补充实验的时候说明的。。。关键是如何区分大量CdSe中出现的少量的Se单质的来源)。所以，作者得出结论，利用电子传递途径的调控，可以有效的控制两种竞争性的反应途径（即合成CdSe或Se单质）。同时，利用该突变体合成CdSe的时间可以缩短至4h，比以往报道的速度都要快。