生产纳米银的工程菌

Posted by SC CHEN on July 7, 2016

铁是细菌必需的元素,但在许多环境中是缺铁的。因此,为了生存,细菌会富集铁元素并将其储存在细胞内的特定空间中。当环境中的铁元素不足时,细菌则会将其取出并利用。如今,科学家将细菌中储铁空间另作他用,通过基因工程使得这些细菌储存银元素,用于生产工业使用的纳米银粒子。

纳米银通常用于绷带、服装等的抗菌层,但是工业上制备纳米银粒子需要高温和大量的化学试剂。有了这些工程细菌之后,纳米银粒子也可以像维生素、抗生素或者啤酒一样通过发酵的手段被量产。

为了制备极小尺寸的金属粒子,哈佛大学的Pamela A. Silver和Tobias W. Giessen使用一种二十面的笼状结构encapsulin,后者在细菌体内用于支持储铁蛋白,使得细菌在缺铁环境下依然能够正常代谢。研究人员移除了海栖热袍菌(Thermotoga maritima)细菌中编码encapsulin的储铁蛋白的基因,并用一段可以沉淀银元素蛋白序列作为代替,并将这个片段转入到大肠杆菌(Escherichia coli)体内。随后,这些工程细菌就可以富集培养基上的银元素,在体内形成13到15nm的均匀尺寸的纳米粒子。只要在破碎细胞后,就能分离和纯化纳米粒子。

在对五种病原体细菌的进行抗菌测试的过程中,发现该细菌制造的纳米粒子具有普通纳米粒子或银盐两倍的抗菌活性,其中包括常见的沙门杆菌(Salmonella typhimurium)。UC Berkeley的David F. Savage认为,该令人惊讶的强抗菌活性可能是由于细菌产生的纳米颗粒相比商业获得的,尺寸上更加均一。这个工作完美的利用上这一类全新的纳米空间,是该领域第一例真正的应用。

在过去,研究者已经通过病毒颗粒和其他像ferritin这样的储铁蛋白用于合成类似的金属纳米结构,各自具有5-8或者21到50nm的尺寸。通过encapsulin合成13到15nm的纳米银粒子是在之前是无法做到的,Geissen说到,这个尺寸对于抗菌活性而言是至关重要的。在之后的工作中,encapsulin将用于合成其他各种类似尺寸的,可能具有催化、磁性等一系列性质的金属粒子。

若是把这个过程放大,将是另一种更绿色的在温和条件下合成纳米银粒子的路线,同时也会减少化学污染。但是,单个细胞也应当利用基因工程进一步产生更多的encapsulin,这样可以进一步提高纳米粒子的产率,肯特大学(University of Kent)的Martin J. Warren评价道。
UCLA的Todd O. Yeates总结到:“尽管如此,用微生物大规模生产的优势在与可以不影响效率的基础上减少了有毒化学品的使用。”