利用成像技术开展生命科学研究

方向一：运用软X射线和超分辨荧光联合成像方法探究纳米材料与生物互作机制

纳米材料-生物相互作用已成为化学、生物医学、环境毒理和生物化学等多个交叉学科相关的重大、共性基础科学问题。近年来，我们课题组成功搭建了高空间分辨的多模式（软X射线和超分辨荧光联合）成像仪器，并将其运用于纳米材料和生物互作机制的研究。从可视化酵母自组装纳米材料过程、纳米药物在癌细胞内的迁移转化、藻对纳米颗粒的应激过程开展研究。旨在：1）明晰纳米材料生物组装机制；2）推动纳米药物抗癌机制研究的发展；3）阐明纳米颗粒的毒理。

方向二：生物自组装纳米材料的调控方法、组装机理和应用

为规避传统化学材料合成伴随的环境、经济和难规模化生产的问题，受自然界生物矿化的启发，以有机生命体为“纳米加工厂”，常温常压下组装多功能纳米材料。从生物自组装纳米材料的调控方法、组装机理、应用等角度开展研究，攻破调控方法弱、机理不明晰和应用受局限的研究现状，旨在：1）拓宽“纳米加工厂”的生物体；2）创建绿色规模化合成纳米材料的可控平台；3）阐明生物自组装纳米材料的合成机理；4）拓展生物材料的应用领域（环境、能源、医学）（图 2）。

图 2 生物自组装纳米材料

（1） 拓宽“纳米加工厂”的生物体

“生物纳米加工厂”的选择直接影响：纳米材料的产量、调控方法、规模化生产的潜力及其应用领域。我们运用如下生物体开展研究：1）异化金属还原菌：自然界中生物矿化重要驱动者，具备生物自组装材料先天优势（图 3A）；2）大肠杆菌：可基于合成生物学，实现多功能纳米材料的可控合成（图 3B，3C）；3）产软假丝酵母：有望实现规模化生产（图 3D）；4）黑麦草植物，有望用于环境重金属资源化回收（图 3E）。其中异化金属还原菌和黑麦草植物首次被证明可合成有价值的量子点材料；

图 3 “纳米加工厂”的量子点合成（A）异化金属还原菌：透射电镜；（B-C）大肠杆菌：拉曼光谱和激光共聚焦成像；（D）产软假丝酵母：三维拉曼光谱成像;（E）植物：微束X射线荧光成像

（2） 拓展生物材料的应用领域（生物、环境、能源）

为评估生物材料的科学价值和应用价值，我们探究了其在不同领域的应用潜力（图 4），通过与化学合成量子点进行比较，阐述其独特的应用优势。

ü 利用生物自组装量子点的荧光特性，实现细胞、小鼠的荧光成像，线虫的荧光寿命成像，生物量子点具备较好的生物兼容性；

ü 利用生物自组装材料的光热特性，实现体外抗癌疗效，生物量子点兼顾疗效和成本；

ü 利用生物自组装量子点的荧光和表面自修饰蛋白特性，制备无标记、可视化汞离子荧光探针；

ü 利用生物自组装材料的光热特性和表面天然蛋白修饰性质，制备强亲水性的光热抗菌膜；

ü 利用多种光谱，阐明量子点在食物链转化过程中的分布和代谢信息；

利用生物半导体的光催化特性和生物兼容性，捕获太阳能，注入电子到生物体内，经氢酶的高效特异性催化，实现稳定、高效和经济产氢；

图 4 生物自组装材料在不同领域的应用研究