“時-空耦合”活細(xì)胞合成量子點

賈劍紅，楊玲玲，劉安安，龐代文

（1南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點實驗室，化學(xué)學(xué)院分析科學(xué)研究中心，天津市生物傳感及分子識別重點實驗室，天津 300071； 2武漢大學(xué)高等研究院，化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072）

在自然界中，活細(xì)胞通過復(fù)雜代謝系統(tǒng)適應(yīng)外界環(huán)境，保護(hù)自身免受環(huán)境變化帶來的影響［1-5］。為應(yīng)對有毒重金屬的損傷，細(xì)胞進(jìn)化出專一的重金屬代謝途徑，如通過代謝將高價態(tài)金屬離子還原成零價，產(chǎn)生金屬納米粒子［4-7］；或通過胞內(nèi)具有特定結(jié)構(gòu)和基團(tuán)的生物分子螯合金屬離子，將其轉(zhuǎn)運至液泡隔離或排出胞外［6，8］，以達(dá)到解毒效果。從20 世 紀(jì)80 年代 末 開 始，Dameron 等［9］、Kowshik 等［10］、Sweeney 等［11］和Labrenz 等［12］通過生物礦化在裂殖酵母、球擬酵母、大腸桿菌和硫酸鹽還原細(xì)菌中合成了CdS、PbS 和ZnS 等半導(dǎo)體納米材料。由此可見，利用活細(xì)胞內(nèi)多種高效專一的生化反應(yīng)途徑有望實現(xiàn)半導(dǎo)體納米材料的可控合成。雖然利用活細(xì)胞的單一代謝途徑成功合成了半導(dǎo)體納米材料，但對合成機理的認(rèn)識尚不明確且產(chǎn)物較為單一，粒徑、形貌和性質(zhì)均不可控，這極大限制了生物合成納米材料的發(fā)展［5，9-13］。

量子點是一類半徑小于或接近其激子玻爾半徑的半導(dǎo)體納米晶體［14］。量子點的帶隙取決于量子點的組成和尺寸。對于同種量子點，由于量子點的量子限域效應(yīng)，其尺寸越大，帶隙越窄，對應(yīng)的熒光發(fā)射波長越長。因此，通過改變量子點的組成和尺寸，可以實現(xiàn)對量子點的熒光發(fā)射波長的調(diào)控［15-17］。目前報道的量子點熒光發(fā)射波長已經(jīng)實現(xiàn)了從紫外、可見到近紅外的全波段覆蓋，甚至可以延伸至中紅外波段［18-21］。量子點具有高熒光強度、高量子產(chǎn)率及耐光漂等優(yōu)異的光學(xué)性能［22-23］，使其在動態(tài)示蹤［24］、生物活體成像［25-27］、生物檢測［28-29］等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢和潛力。

制備量子點的傳統(tǒng)方法主要是化學(xué)合成方法，包括有機相合成和水相合成。有機相合成的反應(yīng)條件較苛刻，常涉及無水、無氧和高溫等條件，以及需使用易燃易爆的有機試劑。有機相合成的量子點具有量子產(chǎn)率較高、粒徑分布均一等優(yōu)點，但是需要通過表面修飾使其水溶性化和功能化才能應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，然而表面修飾往往會影響其熒光性能［30-33］。水相合成由于水的沸點限制，通常在100 ℃以下進(jìn)行，需要與金屬離子配位能力較強且?guī)в邪被?、羧基或巰基的有機小分子作為配體，常用配體包括巰基乙酸、巰基丙酸、半胱氨酸和谷胱甘肽等。該方法雖然能夠解決量子點水溶性的問題，但合成的量子點熒光性質(zhì)一般不如有機相合成的，且尺寸分布較寬，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中也有一定的局限［34-37］。

自2009 年，本課題組通過人為調(diào)控、調(diào)用并耦合活細(xì)胞內(nèi)不同生化反應(yīng)途徑，僅僅通過給細(xì)胞“喂食”相關(guān)反應(yīng)物，在真菌［38］、細(xì)菌［39］及哺乳動物細(xì)胞［40］內(nèi)可控制備了多種具有不同發(fā)射波長的量子點。通過探究活細(xì)胞內(nèi)合成量子點的機制，對活細(xì)胞合成過程中涉及的復(fù)雜胞內(nèi)生化反應(yīng)途徑進(jìn)行簡化設(shè)計，進(jìn)一步擴(kuò)展至無細(xì)胞體系，發(fā)展出了準(zhǔn)生物體系，即在水相溶液中加入無機鹽、氨基酸、多肽、酶和輔酶等模擬細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)途徑，在溫和條件下可控制備了水相條件下較難直接合成的Ag2Se 量子點和其他多種納米材料。與傳統(tǒng)的合成方法相比，活細(xì)胞合成避免了高溫、高壓和易燃易爆有機試劑的使用，在溫和條件下可控合成了生物相容性良好的量子點。

本文將總結(jié)評述“時-空耦合”活細(xì)胞合成量子點的策略以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展的無細(xì)胞準(zhǔn)生物合成策略的研究進(jìn)展。同時，還將總結(jié)兩種策略制備的量子點在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 “時-空耦合”調(diào)控活細(xì)胞合成策略

2009 年，本課題組［38］提出“時-空耦合”調(diào)控活細(xì)胞合成新策略，即人為調(diào)控和調(diào)用活細(xì)胞中多種生化反應(yīng)途徑，使胞內(nèi)原本不交會的生化反應(yīng)途徑在合適的時間和空間耦合，實現(xiàn)量子點的合成。使用化學(xué)合成方法通常需要提前制備活性陰陽離子前體，在高溫條件下將陰陽離子前體混合，實現(xiàn)量子點的成核與生長。而利用活細(xì)胞合成量子點時，活性陰陽離子前體的生成和量子點的成核與生長則在人為調(diào)控下像化工廠的程序化流水線般在活細(xì)胞內(nèi)特定的時間和空間依次發(fā)生。由此可見，活細(xì)胞合成量子點的關(guān)鍵因素包括：細(xì)胞的生長周期和陰陽離子原料的投料量、投料比、投料順序、投料時間及孵育時間等［41-42］。以合成CdSe 量子點為例，對上述因素在量子點合成中的作用和對量子點性質(zhì)的影響依次進(jìn)行闡述。

首先，根據(jù)所要合成量子點的組成選擇“喂養(yǎng)”細(xì)胞的原料。合成CdSe 量子點時，通常選取水溶性較好的氯化鎘（CdCl2）為鎘源，亞硒酸鈉（Na2SeO3）為硒源。原料的加入會觸發(fā)細(xì)胞的金屬離子解毒途徑以及高價Se 的代謝途徑，從而產(chǎn)生適于合成量子點的活性前體。于酵母細(xì)胞而言，Se 的代謝途徑需要谷胱甘肽（GSH）、谷胱甘肽還原酶（GR）和輔酶Ⅱ（NADPH）等參與［式（1）、式（2）］［43-46］，將高價態(tài)Na2SeO3還原成低價態(tài)有機硒化合物，如硒代半胱氨酸（SeCys）、硒代甲硫氨酸（SeMet）、硒甲基硒代半胱氨酸（SeMC）等，并將其儲存于細(xì)胞質(zhì)和線粒體內(nèi)，以此作為合成CdSe 量子點所需的Se 前體。因此通常選擇可以高效合成這些多肽和酶的穩(wěn)定期作為Na2SeO3的添加時間點［42，47］。通過基因敲除、高效液相色譜電感耦合等離子體質(zhì)譜法和硒醇特異性探針證實，硒前體的主要存在形式為SeCys［48］。其次，雖然硒是一種重要的微量元素，低劑量時可促進(jìn)細(xì)胞生長［49］，但高濃度Na2SeO3會刺激細(xì)胞產(chǎn)生活性氧自由基（ROS），破壞細(xì)胞的氧化還原環(huán)境［50］，進(jìn)而降低酵母細(xì)胞的酶活性并抑制細(xì)胞生長［51］。因此，一旦Na2SeO3濃度過高（≥10 mmol/L），就會觸發(fā)Se 解毒途徑，導(dǎo)致Se0成為主要產(chǎn)物［52］［式（3）～式（5）］，而Se0難以被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成活性Se 前體，從而影響量子點的產(chǎn)率。由此可見，為了提高活性硒前體的轉(zhuǎn)化率和量子點的產(chǎn)率，必須優(yōu)化Na2SeO3的濃度。同樣地，鎘作為一種有毒重金屬，具有很強的生物毒性和生物累積效應(yīng)［53］，當(dāng)高濃度Cd2+與細(xì)胞接觸時，會抑制細(xì)胞壁的生長，使其機械強度下降［54］；也會誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生ROS，引起氧化應(yīng)激，且Cd2+易與蛋白螯合，影響蛋白的功能。在細(xì)胞內(nèi)Cd2+的解毒途徑中，Cd2+被GSH 螯合后運送至特定的細(xì)胞器（如液泡）內(nèi)［55］，無法與細(xì)胞質(zhì)中的Se 前體結(jié)合，不利于CdSe 的形成。可見，Cd的投料量和Se、Cd 投料順序及時間點均需要優(yōu)化。本課題組通過優(yōu)化上述條件成功在真菌（釀酒酵母［圖1（b）］）［38］、細(xì)菌［金黃色葡萄球菌（圖2）］［39］和哺乳動物細(xì)胞［人乳腺癌細(xì)胞MCF-7（圖3）和MDA-MB-231；犬腎細(xì)胞MDCK］［40］中合成了熒光量子點。通過優(yōu)化孵育時間，在酵母細(xì)胞中實現(xiàn)了CdSe 量子點發(fā)射波長由520 nm 到670 nm的調(diào)控［38］。

活細(xì)胞內(nèi)Na2SeO3的反應(yīng)途徑如下：

為科學(xué)地實現(xiàn)胞內(nèi)量子點的可控合成，科研工作者們探究了釀酒酵母細(xì)胞合成熒光CdSe 量子點的機理，發(fā)現(xiàn)GSH 代謝途徑與釀酒酵母細(xì)胞合成CdSe 量子點有密切聯(lián)系。敲除酵母細(xì)胞中調(diào)控GSH 合成的基因GSH1（速控基因）、GSH2以及編碼GR 的基因GLR1后，該細(xì)胞合成CdSe 的能力大大減弱［圖1（c）］。相較于野生型的酵母細(xì)胞，過表達(dá)GSH1基因的酵母細(xì)胞合成CdSe 量子點后具有更強的熒光，可見量子點的產(chǎn)率大幅提升［圖1（d）］［56］。通過敲除酵母細(xì)胞中SeMet 代謝的相關(guān)基因證明了SeCys 為主要硒前體， 且SeMet-SeCys 轉(zhuǎn)化通路介導(dǎo)量子點的合成，過表達(dá)甲硫氨酸合成酶MET6基因可以實現(xiàn)硒化酵母細(xì)胞中SeMet 的積累，進(jìn)而促進(jìn)CdSe 量子點的合成［48］。通過研究酵母細(xì)胞內(nèi)能量代謝對量子點合成的影響發(fā)現(xiàn)，活細(xì)胞合成量子點的能量供給主要是ATP。ATP 有助于胞內(nèi)硒前體的產(chǎn)生和富集、Cd 的吸收以及量子點的形成。通過基因改造上調(diào)細(xì)胞內(nèi)ATP 的表達(dá)量，可以使細(xì)胞合成量子點的產(chǎn)率明顯提高［57］。在一些異化金屬還原菌（如希瓦氏菌）中，將活細(xì)胞“時-空耦合”策略合成CdSe 量子點和跨膜電子的傳遞過程相結(jié)合，敲除cymA基因能顯著降低胞外零價硒的生成，使活性硒前體的含量大大增加，進(jìn)而在胞內(nèi)合成了大量熒光CdSe 量子點，這說明調(diào)節(jié)細(xì)胞跨膜電子傳遞過程可以有效調(diào)控材料的含量、種類和分布位置［58］。這些工作從遺傳學(xué)和代謝的角度深化了對活細(xì)胞合成CdSe 量子點所涉及代謝途徑的認(rèn)識，為活細(xì)胞合成量子點提供了理論依據(jù)。

圖1 酵母細(xì)胞內(nèi)CdSe量子點的活細(xì)胞合成途徑及相關(guān)機理研究［38，56］Fig.1 Biosynthesis pathway for CdSe quantum dots in yeast cells and related mechanisms[38,56]

2 活細(xì)胞內(nèi)合成量子點的應(yīng)用

2.1 生物檢測

除了酵母細(xì)胞，本課題組還將這一策略推廣至金黃色葡萄球菌（簡稱金葡菌），原位合成了CdS0.5Se0.5量子點，將金葡菌轉(zhuǎn)變成粒徑均一、熒光性質(zhì)穩(wěn)定的細(xì)胞信標(biāo)（圖2）［39］。與此同時，借助金葡菌表面天然表達(dá)的蛋白A 能夠與抗體Fc 端特異性結(jié)合的性質(zhì)，結(jié)合免疫磁捕獲技術(shù)，成功實現(xiàn)了細(xì)胞信標(biāo)對禽流感H9N2 病毒的高靈敏檢測。通過改變與蛋白A 結(jié)合的特異性抗體，實現(xiàn)偽狂犬病毒、桿狀病毒、鼠傷寒沙門氏菌、人乳腺癌細(xì)胞（SK-BR-3）等多種病原微生物和腫瘤細(xì)胞的高靈敏、高特異性檢測［39］。由于水體中的Hg2+可以取代量子點中的Cd，從而使量子點的熒光減弱，因此合成了CdSxSe1?x量子點的大腸桿菌可以作為高靈敏、低成本的熒光探針用于無標(biāo)記的Hg2+檢測，其檢測靈敏度與化學(xué)合成探針相當(dāng)，因檢測限較低，可以直接用于飲用水中Hg2+的檢測［59］。

圖2 細(xì)胞信標(biāo)構(gòu)建生物檢測探針的原理及其應(yīng)用［39］Fig.2 Principle and application of constructing biological detection probes by cell beacons[39]

2.2 生物標(biāo)記與成像

利用“時-空耦合”策略在哺乳動物細(xì)胞（MCF-7、MDA-MB231、MDCK）中合成CdSe量子點時，由于重金屬離子的刺激，細(xì)胞會不斷分泌微囊泡（MVs），因此胞內(nèi)合成的量子點可自發(fā)地被細(xì)胞質(zhì)膜出芽形成的MVs 包裹，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和功能完整的熒光標(biāo)記MVs（圖3），標(biāo)記效率均高于83%；在MDCK 細(xì)胞中，標(biāo)記效率高達(dá)95%［40］。通過提高質(zhì)子濃度，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)還原性巰基化合物的生成，加速細(xì)胞對硒源和鎘源的攝取和轉(zhuǎn)化，從而將原本數(shù)十小時的合成過程縮短至3.5 h。將大腸桿菌合成的CdSxSe1?x量子點用于斑馬魚的非侵入性熒光成像，觀察到熒光信號在肝部富集，9 h 后量子點逐漸從斑馬魚體內(nèi)代謝至排除。與濃度為25 μg/mL 的量子點共培養(yǎng)10 h 后，斑馬魚仍能保持90%的活性，表明活細(xì)胞合成的量子點具有低毒性和良好的生物相容性［60］。

圖3 通過MCF-7胞內(nèi)合成熒光量子點一步標(biāo)記微囊泡的示意圖［40］Fig.3 Schematic illustration for one-step labeling of microvesicles by coupling the intracellular synthesis of fluorescent quantum dots in live MCF-7 cells[40]

2.3 人工光合作用

加州大學(xué)伯克利分校楊培東課題組通過熱醋穆爾氏菌與Cd2+和半胱氨酸共培養(yǎng)合成CdS 量子點，得到了生物-無機復(fù)合雜化體系。利用活細(xì)胞合成的量子點的優(yōu)異光吸收性能，將不具備光合作用能力的熱醋穆爾氏菌轉(zhuǎn)化為可進(jìn)行光合作用的細(xì)胞，高效制備醋酸（圖4）［61］。其電子傳遞過程為：在太陽光照射下，CdS 量子點首先高效捕獲光能并將電子傳遞給細(xì)菌；然后，細(xì)菌高選擇性地（>90%）催化CO2轉(zhuǎn)化成醋酸鹽；同時，在黑暗條件下，醋酸類產(chǎn)物又可以作為養(yǎng)分供給細(xì)菌［61］。熱醋穆爾氏菌利用發(fā)光的CdS 量子點產(chǎn)生的電子進(jìn)行光合作用，量子點在該系統(tǒng)中起到電子和能量中繼體的作用，為人工光合作用領(lǐng)域提供了新思路［62-63］，也為“時-空耦合”策略的發(fā)展帶來了更多可能。利用量子點的半導(dǎo)體特性，光照條件下，量子點吸收光能后電子從價帶躍遷至導(dǎo)帶，導(dǎo)帶的光生電子具有較強的還原能力，能夠促進(jìn)胞內(nèi)SeO2?3還原產(chǎn)生更多的活性硒前體，從而促進(jìn)大腸桿菌和梨形四膜蟲內(nèi)CdSxSe1?x量子點的合成［64］。人工光合作用中利用活細(xì)胞合成的量子點作為電子和能量中繼體，不僅是“時-空耦合”策略合成量子點的成功應(yīng)用，也是更進(jìn)一層次的“時-空耦合”，賦予了生物合成更多的潛能。

圖4 熱醋穆爾氏菌-CdS的反應(yīng)示意圖［61］Fig.4 Reaction schematics for the M.thermoacetica-CdS system[61]

3 準(zhǔn)生物體系可控合成納米材料及應(yīng)用

3.1 可控合成納米材料

通過“時-空耦合”策略，人為調(diào)控細(xì)胞的代謝和金屬離子的解毒途徑合成量子點的工作，在材料合成的角度給細(xì)胞中各種物質(zhì)和能量的循環(huán)提供了新的啟示和認(rèn)知。這些物質(zhì)和能量的代謝循環(huán)不僅可以維持細(xì)胞的生長和增殖，同時也為材料合成提供原料和能量。在“時-空耦合”策略的基礎(chǔ)上，把其中核心的機理和主要的反應(yīng)途徑加以簡化和設(shè)計，在無細(xì)胞的水相反應(yīng)條件下，構(gòu)建由酶、多肽、電解質(zhì)、輔酶等組成的準(zhǔn)生物體系。該體系已成功實現(xiàn)Au納 米 顆 粒［65］、Au 團(tuán) 簇［66］、Au-Ag 合 金 納 米 顆粒［67］、Te 納米棒［68］、PbSe 納米立方晶體［69］以及近紅外Ag2Se 量子點［70］在無細(xì)胞水相中的可控合成。

通過合理調(diào)控準(zhǔn)生物體系中NADPH 和GR 的濃度，在室溫條件下即可得到粒徑均一且尺寸可調(diào)的表面包覆GSH 的水溶性Au納米顆粒。當(dāng)溶液中Au3+和GSH 處于一定比例時，體系中生成一種特殊的GSH 和Cl–同時配位的Au（Ⅰ）離子。在室溫條件下，還原性較弱的NADPH 通過靜電作用與該配合物結(jié)合，將其還原成Au 納米顆粒。該法制備的Au 納米顆粒表面通過Au-S 鍵被GSH 緊密包裹，在室溫和高鹽濃度下均具有很好的穩(wěn)定性［65］。通過對該反應(yīng)過程的動力學(xué)進(jìn)行調(diào)控，即可控制反應(yīng)終止在初級階段，合成平均粒徑只有1.3 nm的Au 團(tuán)簇［66］。由于Au 團(tuán)簇在細(xì)胞中產(chǎn)生的活性氧會導(dǎo)致線粒體的氧化降解，因此Au 團(tuán)簇具有劑量依賴的細(xì)胞毒性［71］。在用準(zhǔn)生物體系合成Au-Ag合金納米顆粒時，僅通過改變Au和Ag的投料比例就可以調(diào)控合金納米顆粒的粒徑［67］。模擬胞內(nèi)高價碲（Na2TeO3）的代謝還原途徑，利用準(zhǔn)生物體系合成Te 納米棒，且通過改變NaOH 濃度和酶的量就可以調(diào)控Te 納米棒的長度［68］。此外，模擬胞內(nèi)的硒代謝途徑和GSH 與Pb2+的絡(luò)合，在水相中合成了尺寸均一的PbSe 納米立方晶體，其成核生長的過程屬于動力學(xué)控制的非經(jīng)典結(jié)晶過程［69］。在準(zhǔn)生物體系中耦合Na2SeO3的還原過程和L-丙氨酸與Ag+絡(luò)合兩個反應(yīng)，合成了粒徑超?。?.5 nm）、生物相容性好的近紅外Ag2Se 量子點，通過簡單改變銀和硒的投料比就可以調(diào)控產(chǎn)物的發(fā)射波長［圖5（a）］［70］。

3.2 應(yīng)用

準(zhǔn)生物體系在水相中進(jìn)行，反應(yīng)條件溫和，合成的納米材料僅通過超濾或透析純化便可直接應(yīng)用，且其表面配體多是氨基酸、多肽或蛋白，具有較好的生物相容性，因而可用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。其中Ag2Se 量子點因其近紅外發(fā)射的優(yōu)異熒光性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用在檢測和活體成像等領(lǐng)域。如利用Ag2Se 量子點的陰極電致化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，構(gòu)建適于實際樣品中多巴胺檢測的電致化學(xué)發(fā)光生物傳感器，具有精密度好、準(zhǔn)確度高的特性［72］。此外，合成得到的Ag2Se 量子點粒徑僅1.8 nm，且以分子量較小的GSH 為表面配體，其水合粒徑僅為4 nm，因此可以通過電穿孔的方法快速高效地標(biāo)記病毒輕粒子，制備具有優(yōu)異的腫瘤靶向性、體內(nèi)腫瘤成像能力（Ag2Se 量子點的近紅外熒光）和抗腫瘤療效（負(fù)載抗腫瘤藥物）的腫瘤靶向納米載體［73］。由于Ag2Se 量子點表面富銀，通過NaOH 溶液處理使其表面含氧，再利用Mn2+和O2–較強的配位能力，即可使Ag2Se 量子點的表面成功鍵合上Mn2+。該方法不僅不會破壞量子點內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)，同時還可以使水分子直接和量子點表面的Mn2+接觸，從而使其縱向弛豫率可以達(dá)到臨床造影劑Gd DTPA 的4 倍［73］。采用電穿孔技術(shù)，可以實現(xiàn)該超小Ag2Se@Mn 量子點對微囊泡的快速高效標(biāo)記，使其具有良好的近紅外熒光和磁共振雙模態(tài)成像性能［圖5（b）］［74］，并首次揭示了被標(biāo)記的循環(huán)微囊泡具有較強的腫瘤靶向性［75］。

圖5 準(zhǔn)生物體系可控合成納米材料及應(yīng)用［70，74］Fig.5 Controllable synthesis and application of nanomaterials in quasi-biological systems[70,74]

4 挑戰(zhàn)與展望

通過人為調(diào)控活細(xì)胞內(nèi)一系列生化反應(yīng)途徑，使其在時間和空間上耦合，在真菌、細(xì)菌和哺乳動物細(xì)胞中成功合成了多種量子點。同時，通過活細(xì)胞合成量子點的機制研究，奠定了活細(xì)胞合成的科學(xué)基礎(chǔ)，并可將“時-空耦合”活細(xì)胞合成反應(yīng)中所涉及的復(fù)雜生化反應(yīng)簡化，進(jìn)一步拓展至無細(xì)胞的準(zhǔn)生物體系，實現(xiàn)通常難以制備的無機納米材料合成?！皶r-空耦合”活細(xì)胞合成的相關(guān)工作不僅以復(fù)雜的活細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞代謝與無機鹽的相互作用為基礎(chǔ)，同時融入了人為設(shè)計的理念。然而，目前“時-空耦合”活細(xì)胞合成策略處在發(fā)展的關(guān)鍵時期，還面臨著很多難題亟待解決和突破，如可利用代謝途徑有限、原位表征技術(shù)匱乏等。

眾所周知，活細(xì)胞內(nèi)有著復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)，而目前可用于活細(xì)胞合成的代謝途徑屈指可數(shù)，主要包括氧族元素（硫、硒、碲）的還原途徑以及金屬離子［鎘（Ⅱ）、銀（Ⅰ）等］的解毒途徑?；罴?xì)胞合成的量子點還是熒光發(fā)射集中在可見光區(qū)的二元或三元Ⅱ-Ⅵ族量子點（CdS、CdSe 和CdS0.5Se0.5等）。但是，隨著活體成像技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用［76-81］，利用活細(xì)胞制備發(fā)射波長在近紅外波段（尤其是近紅外二區(qū)，1000～1700 nm）的量子點有著更深遠(yuǎn)的意義。理論上，Ⅰ～Ⅵ族量子點（Ag2S、Ag2Se 和Ag2Te）的發(fā)射波長可以達(dá)到近紅外二區(qū)，但是Ag2S、Ag2Se 和Ag2Te 的溶度積常數(shù)通常很小，以致難以調(diào)控量子點的粒徑和熒光發(fā)射波長等［82-87］。目前根據(jù)已經(jīng)報道的活細(xì)胞內(nèi)其他離子的代謝途徑，通過加

入合適的反應(yīng)原料，利用活細(xì)胞內(nèi)溫和的代謝途徑，調(diào)控量子點的成核生長，量子點發(fā)射波長有望從可見拓展至近紅外波段。同時，合成多功能、多層級的納米材料，如核殼結(jié)構(gòu)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)等還具有一定的挑戰(zhàn)性。隨著對代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究的深入，利用細(xì)胞內(nèi)多條代謝通路、使用不同原料有望實現(xiàn)量子點結(jié)構(gòu)和功能的多樣化。

在活細(xì)胞合成量子點時，以活細(xì)胞或其衍生物（如微囊泡）為整體進(jìn)行應(yīng)用，可以避免提取、純化帶來的不良影響，同時還能夠達(dá)到意想不到的效果。因此，在活細(xì)胞合成過程中，原位監(jiān)測和表征量子點的形貌、尺寸、元素組成、熒光性質(zhì)至關(guān)重要。目前適用于原位表征的方法主要有電子顯微鏡［88-90］、拉曼光譜［91-96］、熒光光譜［97-101］等，但是由于細(xì)胞環(huán)境和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，進(jìn)行原位表征的難度依然很大。相信，隨著原位表征技術(shù)的不斷發(fā)展，原位實時監(jiān)測納米材料在細(xì)胞內(nèi)的合成過程和分布情況也將成為可能。

在后續(xù)研究中，如何以具體的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用為導(dǎo)向設(shè)計活細(xì)胞合成，以及如何進(jìn)一步深入認(rèn)識合成機理、實現(xiàn)合成材料的多樣化及合成調(diào)控的精細(xì)化，仍是日后需要思考和努力的方向。這些挑戰(zhàn)意味著活細(xì)胞合成還有很多值得研究者挖掘的潛力，隨著對活細(xì)胞合成機制認(rèn)識的不斷加深，還會發(fā)展出更加多樣化的策略來操控活細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)途徑，制備更豐富的高性能、多層級、多功能的納米材料，同時衍生出基于發(fā)光活細(xì)胞直接制備發(fā)光外泌體、活體生物傳感器和智能診療載體等的新方法。相信在不遠(yuǎn)的未來，活細(xì)胞合成量子點等無機納米材料能夠給合成生物學(xué)的發(fā)展帶來更多的驚喜。