生物矿化，为细胞量体裁衣

◆生物矿化，为细胞量体裁衣

周炜

给细胞“穿衣服”

左图为电子显微镜下的酵母细胞，右图为矿化包裹后的酵母细胞

受鸡蛋壳保护卵细胞的启发，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授、浙江大学理学院化学系教授唐睿康带领团队发明了一种给细胞“穿衣服”的方法。他们以酵母细胞为模型，给酵母细胞“穿上了衣服”。带“壳”的酵母细胞不仅能在室温下保存更长时间，还能避免溶菌酶的侵害，并产生磁性，这为细胞的保存和传送开辟了新途径。相关论文“yeastcellswithanartificialmineralshell：protectionandmodificationoflivingcellsbybiomimeticmineralization”（《具有人工矿化外壳的酵母细胞：利用仿生矿化保护和修改活细胞》）发表在顶尖学术刊物《应用化学》（国际版）上，该工作引起了学术界和公众媒体的广泛关注。

课题的灵感即来自日常所见的鸡蛋。“鸡蛋壳是一个典型的生物矿化的例子，它的特殊之处在于细胞外还有一层薄薄的硬壳保护，在自然界中，带‘壳’的细胞非常罕见。”唐睿康教授于2007年开始带领课题组研究怎样用生物矿化的方法，给细胞“穿”上人工的“外衣”。唐睿康教授介绍，“穿衣服”的过程只需要短短

左图为电子显微镜下的酵母细胞，右图为矿化包裹后的酵母细胞几分钟。把表面涂有聚丙烯酸酯的酵母细胞放入富含磷酸钙的溶液，聚丙烯酸酯能充当诱导剂并起着鸡蛋膜上的矿化因子的作用，促使溶液中的磷酸钙在细胞表面有序沉积并形成一层均匀的“外衣”。

“穿衣”后的酵母细胞依然保持活性，但会进入休眠状态。这样，即使在营养不良等不利环境下，它依然能保持长时间的活性。另外，“脱衣服”的方法也很简单，通过弱酸或者超声波的作用，这层“外衣”就能轻易褪去，细胞则能恢复原来正常的状态和功能。

课题组做了一个实验，常温下纯水中普通的酵母菌一个月后的存活率为20%，而“穿上衣服”后带“壳”的酵母菌一个月后还有85%的存活率。另一个实验则是让酵母菌接受“天敌”的考验。在溶菌酶的作用下，正常的酵母细胞3个小时后的死亡率大于80%，而“穿衣服”的酵母细胞的死亡率不到15%。同时，唐教授还在这层“外衣”中掺杂了纳米磁性颗粒。通过显微镜可以看到，酵母在磁场驱动下可以定点运动。

国际著名生物矿化专家stephenmann教授认为，给细胞“穿衣服”的方法是一个有趣的创意，对细胞的保存和传输具有重要意义。“我们的探索是敲开了一扇门，发展了给细胞‘穿衣服’的方法。当然，目前这件衣服还比较粗糙，相当于一层‘麻布’，接下来，更多的科学家来当‘服装设计师’，研究给细胞穿什么样的衣服，赋予细胞更强的生命力和特定的功能。”唐睿康教授认为这种方法有着广阔的应用前景，“举个例子，我们可以给细胞装上一个‘壳’，把它们定向传输到需要的部位，然后再释放并激活这些细胞，这种方法可望发展为新的癌症治疗技术。”

（周炜）

“金蝉脱壳”的分子开关找到了

“金蝉脱壳”是人们熟知的一种生命现象，自然界中许多动物都有这种换壳的本领。唐睿康教授带领的课题组最新研究发现，这种“换壳”过程是受一个“开关”控制的：在“关”的信号下，矿物在体内储存并为新壳做准备，而当“开”的信号一出现，新壳就快速生成。这一发现为科学家进一步研究仿生控制功能提供了一个样本，让生物材料的制备变得更加可控。

相关论文“magnesium-aspartate-basedcrystallizationswitchinspiredfromshellmoltofcrustacean”（《受甲壳动物换壳启发基于镁-天冬氨酸的结晶开关》）发表在2009年12月7日的《美国科学院院报》上。

课题组选取了日常环境中常见的甲壳动物——卷甲虫（俗称“西瓜虫”）作为生物模型。卷甲虫一生要经历数次换壳。此前的研究发现，在换壳前体内参与成壳的碳酸钙处于一种非晶态，而在镁离子的作用下，这些不稳定的非晶态的碳酸钙会转变成一种“亚稳定状态”，从而可以作为矿化前体在生物体内富集并存贮，为新壳的快速生成做好物质准备，这个生物准备期要持续两周左右。但是，生物怎么能够精确地启动换壳程序，使得碳酸钙在短时间内从“亚稳定状态”完成结晶，对科学家来说是一个谜。

课题组找到了这个“开关”。他们对处于换壳时期的卷甲虫进行了研究，发现富含酸性氨基酸如天冬氨酸的蛋白质是另一个关键的信号。在它的作用下，卷甲虫立即启动换壳过程，促使处于准备状态的矿化前体迅速走向“稳定状态”，从而形成新壳。在自然状态下，这个过程可在短短数小时之内完成。

“事实上，镁离子和酸性蛋白质共同构成了一个生物界中的‘开关’。”唐睿康教授解释说，可以将动物的换壳过程理解为一个“结晶”的过程，矿物质在这个过程中经历了非稳定态、亚稳定态和稳定态。镁离子是一个“关”的信号，暂时关闭了结晶过程，延长了碳酸钙的非结晶状态期；而酸性蛋白质是一个“开”的信号，它的出现结束了碳酸钙的非结晶状态，促发了碳酸钙的迅速结晶。课题组利用镁离子和酸性氨基酸在实验室里成功地演示了这个结晶开关，还证明了这一原理还存在于磷酸钙体系，具有普适性。

唐睿康教授说，人类在制备生物材料时可以从中获得灵感，制造出一种“仿生开关”，这样，生物材料的合成就可以变得更加可控，从而可以制造出各种结构、形态和功能的生物材料。这样的“开关”原理也可以进一步发展用于控制人体内的生理性矿化过程，如骨、牙的形成及病理性矿化如结石、血管钙化等。

唐睿康教授长期从事生物矿化方面的研究，如前文所述，曾在2008年发明了一种给细胞“穿衣服”的方法，给一个酵母菌“穿”上了一个“壳”。“那个‘壳’是从无到有的过程，而现在的研究，则为选择‘穿’什么‘衣服’，怎么‘穿’得更漂亮找到了方法。”生物矿化是指在生物体内形成矿物质也就是生物矿物的过程，人体中典型的生物矿化过程包括骨骼、牙齿等生物硬组织的形成，而自然界中常见的生物矿物有珊瑚、贝壳、珍珠、鸡蛋壳等。

（周炜）

红细胞，穿件“衣服”变成“万能血”

无论输血受血，血型都须匹配，这已是我们生活中的常识。唐睿康教授团队利用“给细胞穿衣服”的方法，让红细胞的表面抗原免于被“觉察”，红细胞就可以不必考虑血型，灌注给任一血型的患者。——这一制造“万能血”的新途径，于2014年5月15日在线发表在英国皇家化学会杂志chemicalscience上，并被chemistryworld（“化学世界”网站）作为亮点工作报道。

人的血型是由红细胞表面的抗原蛋白决定的。例如，最常见的abo血型系统中，a型血的红细胞表面带a型抗原，b型血的红细胞表面带b型抗原。进行输血时，反应受血者血浆中的抗体会识别供血者的红细胞的表面抗原，如果血型不匹配，抗体就会把它们定义为“外来物种”，并向它们发起进攻，造成严重甚至致命的后果。科学家们一直在找寻一种用于制造“万能血”的方法，因为这对于临床输血，特别是对于紧急情况下稀有血型受血者的施救意义非凡。

红细胞“穿”上聚多巴胺“外衣”前后

这是在光学显微镜放大400倍视野下的结果，在血型“错配”的情况下，未经处理的血液发生了凝血反应。“穿”上“衣服”后则没有出现凝血。

此前，有科学家提出过一种方法，通过接枝聚乙二醇分子来阻碍抗原－抗体的识别作用，但由于聚乙二醇会被机体识别为“外来物种”，这一方法依然会产生针对它的免疫反应。英国爱丁堡大学的科学家也提出过一种方案，思路是通过基因工程的手段进行体外培养扩增，以此来获取“万能血”，这在理论上是可行的，但是成本相当高。

唐睿康教授团队希望能在实验室中创造出带“壳”的细胞，赋予细胞不同的功能与特性，科学家们称之为细胞表面工程策略。这种策略又被用到了改造红细胞上，让细胞表面抗原免于被觉察，另辟蹊径地制造“万能血”。

“我们需要为红细胞找到一件合适的外衣材料，并精准地把它‘穿’到红细胞身上。”论文的第一作者，浙江大学医学院附属第二医院、浙江大学转化医学研究院王本副教授说，“这一研究的难处，一是寻找‘布料’；二是量体裁衣，让这件红细胞的‘衣服’宛若天成。‘衣服’不能包裹得太严实，这样会影响细胞膜本身的流动性；也不能包裹得太松，这样抗原有可能会‘暴露’。”对此，团队成员做了很多的尝试。

“这个概念非常灵巧，因为它可以通过前驱小分子多巴胺的原位作用形成表面修饰，”来自美国卡耐基梅隆大学（carnegiemellonuniversity）的生物材料研究专家christopherbettinger说，“而且，所得到的聚多巴胺层的组成单元也是人体内原本就有的物质。”

体外实验证实，在血液错配的情况下，原本应该发生的抗原反应不见了，红细胞的结构和功能特征依然保持不变，例如携氧能力。课题组还进行了小鼠试验，改造后的红细胞保持着原始红细胞的行为特征，拥有类似的生命周期，即便经过多次输血，也未激起受血者的免疫反应。

尽管这一研究展示了令人兴奋的临床应用前景，唐睿康教授认为，目前来说它仍是一项技术手段，要真正运用到临床，还需要进一步做大动物模型实验和临床前试验。“如果储存大量‘万能血’以备紧急情况快速输血之需，或者用于应对稀有血型人群的血液储备不足，对于医疗卫生工作都将是无价的资源。”王本说，目前的研究只针对abo血型系统做了测试，下一步非常有必要将该研究应用于rhd血型系统。“在浙江大学转化医学研究院，我期待更深一步的理工学科和医学的交叉研究。”

（周炜）

改造绿藻，制造氢气

通过跨学科合作，科学家们为绿藻细胞披上了一层二氧化硅“外衣”，使其能在自然条件下持续利用光合作用产氢，每升“绿藻侠”可产生17毫升氢气。这是生物光合产氢领域取得的一次重要突破，为利用化学手段改造光合生物进而实现光合生物产氢提出了全新的思路。

浙江大学求是高等研究院徐旭荣副教授课题组，联合浙江大学化学系唐睿康教授、上海师范大学藻类光合作用与生物能源转化实验室马为民教授开展了这项研究工作，其研究论文“silicification-inducedcellaggregationforthesustainableproductionofh2underaerobicconditions”（《硅化诱导的细胞团聚实现有氧条件下的可持续产氢》）发表在2015年8月25日的angew.chem.int.ed.（《应用化学》）上。

绿藻产氢的显色反应（左边是三氧化钨原来的颜色，右边则由于产氢变色）

镜下看到的穿上二氧化硅“外衣”的绿藻（研究团队供图）

博士研究生熊威展示绿藻产氢试验过程

“沉睡”的氢酶

作为一类零碳能源，氢能绿色环保，十分理想。可氢气从哪里来呢？当前，氢气主要来源于石化产业，从石油中制取。科学家们一直在探索，能否借助自然界中现成的“设备”，利用太阳能分解水来产生氢气。

藻类细胞的希望很大。30多年前，科学家发现绿藻细胞中除了进行光合作用的光系统1和2以外，还存在着一种氢酶。“当氢酶被激活后，绿藻就能在进行光合作用的同时产生氢气，然而氢酶对氧气非常敏感，在有氧的情况下，氢酶会迅速失去活性。所以在正常光照条件下，绿藻通常只进行光合作用，产生氧气。”徐旭荣老师说，实际上氢酶被激活而产生氢气，是绿藻在应对缺氧等“胁迫”状况下产生的一种应激反应，能否对绿藻进行改造，隔绝氧气，重新“唤醒”氢酶呢？

徐旭荣的合作者之一，唐睿康教授长期从事生物矿化研究。他有一项“绝活”，即通过生物矿化手段，给细胞“穿”上一层“外衣”，从而赋予细胞不同的性能。如果绿藻也被‘包裹’起来，是否可以人为制造缺氧环境呢？

“绿藻侠”抱团产氢

课题组尝试用二氧化硅去包裹绿藻。和预想不一样的是，单个的绿藻细胞不能产氢，只能进行正常的光合作用，产生氧气。但他们“意外”发现，当一个个“穿”着二氧化硅的绿藻逐渐黏合在一起，形成一个个绿藻复合体时，在培养绿藻的试管上方，探针既探测到了氧气，也探测到了氢气。实验证实，在正常的光照条件下，绿藻团能持续地产生氢气，目前最长时间可达72小时。

“在电子显微镜下，我们看到直径大约100微米的绿藻复合体里面，包含5000个左右绿藻。”课题组博士研究生熊威解释说，处于复合体内部的那部分绿藻，因为空间密闭，它们光合作用产生的氧气恰好被呼吸作用消耗掉，不会有“多余”的氧气去抑制氢酶。外层的绿藻进行正常的光合作用产生氧气，但同时隔绝内部细胞和外界的接触；内部的绿藻通过光合产氧和呼吸作用的平衡制造出一个既能维持绿藻细胞光合活性同时又能激活氢酶的无氧环境，通过这样的方式激活氢酶从而实现了光合产氢，其产氢效率等同于正常的光合作用。

挑战经典

在此之前，科学界也有让绿藻产氢的各种尝试。最经典的要数美国加州大学伯克利分校的melis等人的两步法间接光解水制氢工艺。第一步是绿藻进行光合作用，固定二氧化碳，释放氧气，获得生物量的积累；第二步是在无硫、厌氧的环境中诱导氢酶的高表达。美国能源部认为这项技术有望最终达到市场可接受的生产成本。

“两步法是从‘时间’上对产氧和产氢过程进行分隔来实现绿藻产氢，而我们的方法则是从‘空间’上对产氧和产氢过程进行分离，实现了细胞的空间功能分化（spatial-functionaldifferentiation）。”唐睿康教授说，相比之前的方法，仿生硅化的手段没有破坏绿藻正常的生命过程，能实现持续产氢，在工艺上更具操作性与便捷性。

目前，课题组正在试图破解绿藻生长失控的难题。“72小时以后，如果‘抱团’的绿藻越来越多，绿藻团就会解散，产氢的过程又会停止。”熊威说，“我们正在寻找方法以控制绿藻的繁殖，那样就又离工业应用近了一步。”

（周炜）