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  熒光材料在熒光探針、生物成像、傳感器、平板顯示器等諸多領(lǐng)域中起著重要的作用。目前主要的熒光材料類型包括有機熒光染料，半導(dǎo)體量子點，熒光金屬納米粒子及稀土熒光材料。傳統(tǒng)熒光材料在生物標(biāo)記領(lǐng)域有其局限性，而稀土發(fā)光材料具備熒光壽命長，發(fā)射譜尖銳，量子產(chǎn)率高等優(yōu)點，有望成為新一代理想的熒光材料。目前開發(fā)的稀土發(fā)光材料仍存在生物相容性方面的問題，而聚羥基脂肪酸酯（PHA）作為一類由微生物合成的環(huán)境友好型高分子材料，具有良好的生物可降解性和生物相容性，將稀土離子高效的光致發(fā)光性與聚羥基脂肪酸酯的生物相容性結(jié)合，可以較好地解決生物毒性問題。

圖1 新型生物熒光材料-稀土PHA

  清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳國強教授一直致力于PHA的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用研究。近日，該團(tuán)隊基于功能化PHA成功開發(fā)出一種新型的熒光材料-稀土PHA。傳統(tǒng)的飽和PHA很難用于下游的化學(xué)反應(yīng)，帶有不飽和側(cè)鏈基團(tuán)的功能PHA則具有很高的修飾和應(yīng)用價值。雖然在假單胞菌等傳統(tǒng)生產(chǎn)菌株中已被證實能生產(chǎn)具有功能基團(tuán)的PHA，但是這些菌株在發(fā)酵過程中需要進(jìn)行嚴(yán)格滅菌，生產(chǎn)成本較高。陳國強教授團(tuán)隊基于一株從新疆艾丁湖篩選到的嗜鹽菌- Halomonas TD01開發(fā)了下一代工業(yè)生物技術(shù)，在開放連續(xù)的發(fā)酵條件下，Halomonas TD01 可以保持 14天無需滅菌的連續(xù)生產(chǎn)，且生產(chǎn)的PHA占細(xì)胞干重比例高達(dá) 70%。Halomonas 已經(jīng)被開發(fā)成為一種低成本的微生物細(xì)胞工廠來生產(chǎn)各種各樣的化學(xué)品、 材料以及生物燃料。

  該項研究著眼于具有發(fā)展前景的Halomonas菌株，成功在其中構(gòu)建了合成中長鏈功能PHA（Functional-PHA）的代謝通路，純化得到的功能PHA在其側(cè)鏈上帶有不飽和雙鍵，在此基礎(chǔ)上通過巰烯點擊化學(xué)反應(yīng)接枝了半胱氨酸側(cè)鏈基團(tuán)，得到接枝PHA（NAL-grafted-PHA），隨后利用半胱氨酸上的羰基進(jìn)行配位作用，將兩種稀土離子（銪離子和鋱離子）成功捕獲在接枝PHA的側(cè)鏈上，獲得了一類新型的稀土PHA材料（Rare-earth-modified PHA ），分別為銪離子鰲合的PHA（Eu-chelated-PHA）和鋱離子鰲合的PHA（Tb-chelated-PHA）。

圖 2 稀土PHA的制備流程圖

  對該兩種稀土PHA材料進(jìn)行熒光發(fā)射光譜的鑒定后，發(fā)現(xiàn)在兩種對應(yīng)稀土離子的特征出峰位置均有明顯的熒光發(fā)射，證實了配位反應(yīng)的成功進(jìn)行。該稀土PHA材料具備高效的熒光發(fā)射能力，有望成為一種具有潛在熒光定位性能的生物材料。

圖 3 稀土PHA的熒光發(fā)射能力表征

  從靜態(tài)接觸角測試可見，由于側(cè)鏈上引入了親水性基團(tuán)和稀土離子，制備出的稀土PHA材料的親水性能得到很大改善。通過CCK-8實驗發(fā)現(xiàn)，在由兩種稀土PHA制備出的薄膜上培養(yǎng)的hBMSC細(xì)胞均表現(xiàn)出較高的細(xì)胞存活率，此外，培養(yǎng)后的細(xì)胞形貌保持著正常狀態(tài)，說明該稀土PHA材料的生物毒性較低，生物相容性較好。以上結(jié)果說明，該稀土PHA熒光材料有望被開發(fā)成不同的生物載體，拓展其在熒光定位，生物成像，生物探針等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用�；谙乱淮I(yè)生物技術(shù)的發(fā)展，陳國強教授團(tuán)隊將在后續(xù)的研究中生產(chǎn)更多元化更大量級的功能化PHA，并進(jìn)一步開發(fā)具有更高生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用價值的生物材料。

圖4 稀土PHA的生物相容性測試

  該項成果以“Highly Efficient Fluorescent Material Based on Rare-Earth-Modified polyhydroxyalkanoates” 為題在線發(fā)表在生物材料領(lǐng)域權(quán)威期刊Biomacromolecules上，第一作者為清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生俞林萍，通訊作者為陳國強教授，共同通訊作者為清華大學(xué)博新計劃獲得者蔣笑然博士。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（31870859,21761132013和31430003），清華大學(xué)校長基金（2015THZ10）以及博新計劃基金（BX201700130）的資助。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.biomac.8b01722