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生物智造:中国科学家打一束光,让细菌“打工”画纳米电路

澎湃新闻记者 吴跃伟

2018-04-24 14:15  来源:澎湃新闻

未来你用的手机屏可能是细菌生产的!
“给一束光,细菌就来打工了!”
中国科学家日前用细菌来搬运、排列量子点,解决了其涂层问题。他们用该技术画的电路,制备了叉指电极阵列,并证明其可作为触碰开关使用。
但更大的亮点在于,中国科学家率先开发出光控技术,对上述制造过程实现精细控制,其量子点涂层的最小布阵精度已可达100 μm(微米,一百万分之一米)。
“将该技术应用到芯片设计以及人工光合作用体系上,是我们的长远目标。”4月23日,主导完成这一研究的上海科技大学助理教授、研究员钟超这样告诉澎湃新闻(www.thepape.cn)。
该研究的论文日前发表在国际学术期刊《先进材料》(Advanced Materials)上,并入选当期内封面文章,获其官网重点推荐。
发表在国际学术期刊《先进材料》的内封面:钟超团队利用生物被膜的动态自组装实现了无机纳米物件材料的模板化以及时空可控的自组装,其组装过程具备动态调控,环境自适应和多级复合等特性。
细菌来当搬运工、粉刷匠
量子点被称为“人工原子”,它是纳米级的半导体材料颗粒,目前备受人们关注。它正逐渐被应用于生物医药、光电设备等领域。
含有量子点材料的QLED被认为可能是下一代手机屏幕、电视屏幕,因为成本更低、色彩饱和度更高等特性,将取代iphoneX等新款手机使用的OLED屏。
这些新的手机、太阳能面板的优越性能依赖于均匀的量子点涂层。
但如何将纳米大小的量子点根据设计,均匀地沉积在衬底上,形成涂层?传统的工业制造技术是光刻、磁控溅射、蒸镀等方法。
在钟超团队完成的这一研究中,把细小的量子点刷成涂层的“粉刷匠”、“搬运工”是大肠杆菌。它是人们日常生后中最常遇到的细菌,棒状。它寄居在每个人的肠道里。
但大肠杆菌为什么可以搬运量子点等纳米颗粒,是吃进去吗?
不是。
钟超带领的研究团队通过基因操作,对大肠杆菌分泌的一种蛋白——CsgA进行了修饰,使CsgA蛋白能够识别、结合经过金属配位化学修饰的无机纳米材料“量子点”。
这就建立了大肠杆菌与量子点的联系。当大肠杆菌分泌CsgA蛋白形成生物被膜时,量子点就连在CsgA蛋白上,像一个个葫芦一样,挂在生物被膜这个“毯子”的细丝或藤蔓上,形成涂层。
量子点涂层多层叠合
钟超表示,因为CsgA蛋白首先组成纤维,纤维再排列形成被膜。一个纤维的亚单位——CsgA蛋白——识别一个纳米颗粒。因此,量子点在纤维上排列得非常规则,而非堆在一起。通过显微镜可以看到,量子点涂层非常规整。
随着生物被膜一层层增厚,量子点涂层可以随之叠加。研究人员可以按照时间顺序,定量加入不同的量子点,如红色的CdSeS @ ZnS量子点、绿色的CdZnSeS @ ZnS量子点、蓝色的CdZnS @ ZnS量子点等,以形成不同的涂层,并按照设计“图纸”,叠合在一起。
光为什么可以指挥大肠杆菌

当研究人员给蓝光时,钟超团队改造的大肠杆菌才会分泌CsgA蛋白,生成被膜,否则就一直不分泌CsgA蛋白,一直不形成被膜。
所以,想要什么图案、什么形状的涂层,就可以反推出对应的光控方案。
大肠杆菌把量子点涂层摆成五角星图案
大肠杆菌把红色荧光量子点排成上海科技大学的Logo
他们“打印”了一个镂空的球体,还“打印”了上海科技大学的logo。
钟超说,该技术在纳米尺度上可以调控得非常精细。在显微镜下,量子点排列得非常规整,而非堆在一起。因为,CsgA蛋白首先组成纤维,纤维再排列形成被膜。
显微镜下的大肠杆菌及其生物被膜,以及被膜纤维中的量子点(纳米颗粒)。
钟超表示,生物被膜非常特殊的一点是具有超强的粘附性。即使在最“光滑”的“不粘锅”涂层——特氟龙(聚四氟乙烯,PTFE)上,大肠杆菌也可以形成薄薄的生物被膜。它不只是可以贴在平面上,在圆筒等弯曲的三维平面上,大肠杆菌也可以排兵布阵,生成量子点涂层。
量子点涂层做成的触碰开关
据钟超介绍,早在2014年,美国麻省理工学院研究团队曾报道过用修饰过CsgA来偶联金纳米颗粒和量子点,并创建了一种环境响应型生物膜电气开关。但2014年的这一方法是在生物被膜生成之后,再加入金纳米颗粒或量子点。由于纳米颗粒无法渗透进入紧密的生物被膜内容,因此,绑定效率较低,无法满足更大规模生产的需要。
而且,2014年的这一方法中的诱导(或调控)过程仅仅依赖于小分子, 因此无法实现在时间和空间尺度上动态调控纳米颗粒的自组装。
钟超团队的方法将金纳米颗粒和量子点从一开始就加入到大肠杆菌的培养环境中,一般而言,其调控难度更大。但钟超团队通过“给蓝光”的光控编程,能够在时间和空间上实现极其精细地控制。这些听从蓝光指挥的大肠杆菌都事先经过基因改造,只有蓝光出现时,它们才分泌出“修饰过的CsgA蛋白”,产生生物被膜。如果没有蓝光出现,这些大肠杆菌就“安静”地生长,不产生被膜。
也正是因为一开始就加入了金纳米颗粒和量子点等,大肠杆菌对这些纳米颗粒的组装,与大肠杆菌自身生物被膜的生产组装紧密相连,绑定效率因此大大提高,容易实现大规模的生产。
钟超团队首次以量子点等纳米颗粒为原料,用细菌完成了三维立体的精巧形状和图案。
红色量子点的动态自组装
“我们这种方法能够实现单种和多种纳米颗粒在二维和三维基底表面上更复杂、更大规模的自组装。”钟超说。
此外,生物被膜耐高温、抗酸碱,非常稳定,区别于一般的蛋白材料。钟超研究团队提出,这项动态纳米物件自组装方法在生物电子、光电器件、生物催化和可穿戴设备方面具有潜在的应用价值。
该技术创造出的活体功能材料,可能应用于人工光合作用体系、燃料电池等领域。
“量子点涂层接受到太阳光后,会产生电子。涂层下细菌接受这些电子,然后产生氢气等,成为燃料电池。”
钟超表示,在成品中,也可以用灭菌的方法,杀死大肠杆菌,或者换用益生菌。这些都带给人们极大的想象空间。
责任编辑:温潇潇 澎湃新闻,未经授权不得转载。新闻报料:4009-20-4009
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