分析趨磁細(xì)菌改造及磁小體功能化的研究進(jìn)展

譚文中

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083）

磁小體（BMs）作為一種生物磁性納米材料，可以受磁場操縱運(yùn)動，在多個領(lǐng)域中都有其應(yīng)用價(jià)值。目前改造策略主要通過改造MTB菌體內(nèi)BMs的結(jié)構(gòu)、組分，并借助化學(xué)修飾和生物修飾將抗體、核酸、藥物等與BMS結(jié)合對其改造功能化，從而綜合應(yīng)用于病原檢測、蛋白分離及癌癥早期診斷和治療等多個研究領(lǐng)域。目前廣泛應(yīng)用于各種BMS磁性強(qiáng)度測量的手段主要是陳海濤等[1]曾經(jīng)使用過的CAMG法及其他在CAMG法技術(shù)基礎(chǔ)上被不斷改進(jìn)的方法。

1 趨磁細(xì)菌的基本特性及特點(diǎn)

MTB為厭氧或微好氧的革蘭氏陰性菌，主要種類有桿菌、球蟲、螺旋菌、弧蟲和芽孢蛋殼菌等，廣泛分布于海洋、淡水等多個不同地區(qū)的地質(zhì)沉積物中。不同生境中分布著不同類型的MTB，其產(chǎn)生的BMs的成分和顆粒形態(tài)不盡相同，因此磁性也存在著很大的強(qiáng)度差異，該多樣性有助于我們在不同領(lǐng)域中應(yīng)用BMs。此外，部分MTB（如生活在溫泉中或深海熱泉附近的MTB）還具有一定的耐熱適應(yīng)能力，因此被廣泛應(yīng)用于對微生物的非熱噪聲研究當(dāng)中。MTB產(chǎn)生BMs這一過程大致可分為細(xì)胞內(nèi)膜內(nèi)陷、BMS蛋白定位、BMS成鏈、生物礦化四個步驟。在這一過程中，BMS膜上的多種蛋白參與BMS膜形成、鐵的轉(zhuǎn)運(yùn)和生物礦化過程，其具體的礦化機(jī)制還沒有得到完全詳細(xì)而深刻的科學(xué)解釋和正確認(rèn)識[2]。

2 BMS的特性和應(yīng)用

BMs是MTB產(chǎn)生的一種磁性細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)，由脂質(zhì)雙分子層包圍磁性晶體形成。磁性晶體的化學(xué)成分主要有兩種：磁鐵礦（Fe3O4）或膠黃鐵礦（Fe3S4），晶體形狀有很高的多樣性。通常一種MTB只能合成一種成分和形狀相同的BMs，但也有部分種類MTB能同時(shí)合成成分或形狀不同的BMs。單個BMs磁偶極矩較小，因此在MTB細(xì)胞內(nèi)BMs常常結(jié)合在類似細(xì)胞骨架的蛋白上排列成鏈，增大磁偶極矩從而驅(qū)動菌體趨磁運(yùn)動，從而使MTB菌株到達(dá)適宜生存的有氧-無氧界面區(qū)域。BMs作為磁性納米顆粒的特性就決定其在醫(yī)療中有很高的應(yīng)用價(jià)值，例如在癌癥治療中利用其趨磁性，通過磁場控制其到達(dá)病灶區(qū)域，利用其在磁場中的熱效應(yīng)殺死癌癥細(xì)胞。此外，BMs作為生物合成的磁性納米材料，還具有以下幾種特性。

2.1 大小形態(tài)均一

BMs的大小、形狀和產(chǎn)量受磁場、氧氣濃度、鐵濃度等外界因素影響。當(dāng)MTB在最優(yōu)化的溫度培養(yǎng)條件下，尤其是在低濃度氧氣和高濃度鐵的培養(yǎng)情況下，其產(chǎn)生的BMS具有粒度大小分布狹窄、形態(tài)均一等重要特點(diǎn)，其顆粒直徑的極差可以縮小至10nm。

2.2 易于表面功能化修飾

BMS膜表面含有各類蛋白質(zhì)、氨基酸或脂肪酸、糖類及其卵磷脂，具有氨基、巰基、羧基等多種交聯(lián)基團(tuán)，因此可以進(jìn)行多種形式的化學(xué)和生物修飾，攜帶抗體、酶、生物素、核酸和藥物等。在臨床中，我們可以利用BMs在磁場下運(yùn)動的特性使其作為藥物載體到達(dá)病灶，進(jìn)行疾病的精確診斷和治療；在生物實(shí)驗(yàn)或食品檢測中BMs也可作為多種生物大分子的載體參與酶促反應(yīng)、蛋白和核酸的分離和檢測[3]。

2.3 高度生物相容性

BMS的外殼表面均勻緊密地覆蓋著一層富含大量脂肪和各種蛋白質(zhì)的生物化學(xué)薄膜，在水中不易分散，可以有效維護(hù)其自身的穩(wěn)定。而通過化學(xué)分子處理工藝合成的新型納米材料顆粒在其晶體表面一般需要進(jìn)行人工涂層處理,再同時(shí)加上一些其它具有一定水溶性的化學(xué)分子，如苯和聚乙二醇等，合成過程復(fù)雜。磁性微小體內(nèi)鐵可在生物機(jī)體內(nèi)被其他微生物吸收進(jìn)行新陳代謝，轉(zhuǎn)化鐵成為自由氧化鐵，也可結(jié)合形成具有一定結(jié)晶性和磁性的納米氧化鐵?；蚣{米生物顆粒。

2.4 低毒性

多種細(xì)胞和動植物模型均顯示在低濃度下，BMs對生物體死亡率無明顯影響，表明其毒性較小。但由于BMs具有MTB菌株蛋白質(zhì)、核酸和多糖等生物大分子，這些納米雜質(zhì)顆粒在體內(nèi)可能會快速沉淀和大量聚集，引起免疫系統(tǒng)毒性。而合成的納米磁性體和納米電子微粒等納米化學(xué)物質(zhì)在其材料制備以及工藝生產(chǎn)過程中需要使用多種重要化學(xué)活性試劑，其極有可能會對人體產(chǎn)生某種程度上的化學(xué)毒性。

3 趨磁細(xì)菌的改造策略

3.1 對趨磁細(xì)菌基因組的改造

多個基因決定成熟BMs的形狀和大小，例如mms6。該基因表達(dá)的蛋白與鐵離子有極強(qiáng)的結(jié)合能力，因而可作為晶體形成的起始位點(diǎn)并影響成熟晶體的形狀和大小[4]。mamC、mamG、mamD等基因也參與晶體大小的調(diào)節(jié)。這提示我們可以篩選這些基因的突變體從而根據(jù)應(yīng)用需要生產(chǎn)形狀大小合適的BMs。此外，篩選MTB的鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（MamB、MamM等）突變體也有助于增強(qiáng)MTB對鐵的吸收，從而增加BMs產(chǎn)量。

3.2 趨磁細(xì)菌組成的改造

Chen[5]利用MTB受磁場控制運(yùn)動的特性，創(chuàng)造性地利用蛋白A將兔抗MO-1多克隆抗體連接在MO-1菌株細(xì)胞膜表面，將其改造為磁性細(xì)菌微型機(jī)器人。利用微流控芯片控制磁場，研究者能使這種微型機(jī)器人到達(dá)病原菌富集區(qū)，攜帶并分離病原菌。

3.3 在趨磁細(xì)菌培養(yǎng)中摻雜其他金屬

多種金屬離子能摻雜在BMs中，改善其物理性能。Li[6]在MTB的培養(yǎng)基中直接摻雜添加鈷離子，利用X射線磁性圓二色性(XMCD)方法綜合分析得到大量金屬鈷在BMS內(nèi)直接摻雜的有力實(shí)驗(yàn)證據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明摻雜鈷離子的BMs有著很好的矯頑值和低Verway轉(zhuǎn)變溫度。

4 總結(jié)

趨磁細(xì)菌所產(chǎn)的BMS作為新興生物納米磁性材料，具有生物相容性好、顆粒大小均勻等優(yōu)點(diǎn),使其在生物工程、醫(yī)療醫(yī)藥等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用和研究潛能。對野生型趨磁細(xì)菌的深入改造和對培養(yǎng)條件的優(yōu)化有助于增加BMs產(chǎn)量，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。