近日，上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室夏小霞课题组在模式原核生物细胞内成功实现了量子点的区室化限域合成，相关研究成果“Spatially Directed Biosynthesis of Quantum Dots via Spidroin Templating in Escherichia coli”作为“热点论文”发表在《德国应用化学》期刊。上海交通大学硕士生陈梦婷、博士后胡春飞为共同第一作者，钱志刚副研究员和夏小霞教授为共同通讯作者。

生物合成量子点具有反应条件温和、绿色可持续、产物稳定性好等优势，因而是一种极具潜力的合成策略。目前能合成量子点的宿主多为细菌、真菌等微生物，由于参与合成的模板、离子等前体物质在宿主内呈分散状态存在，而且合成机理尚不清晰，因此难以实现亚细胞水平的限域合成，造成对宿主细胞毒性大、合成效率低下等不足。

图1 量子点在模式原核生物大肠杆菌细胞内的限域合成

      夏小霞课题组在前期研究中发现，异源表达的蜘蛛丝等结构蛋白通过液-液相分离在大肠杆菌胞内形成“液滴样”的无膜区室（Nat. Chem. Biol. 2020, 16: 1143-1148），进而推测蛋白质有序凝聚的特性可能有利于量子点的成核、生长及成熟。以CdSexS1-x为模式量子点，研究表明蛛丝蛋白能支持量子点在大肠杆菌细胞两极的生物合成（以“点亮”细胞的荧光进行表征），而且特定的β-折叠形成能力对于蛛丝蛋白发挥模板作用极为关键。进一步的机理研究表明，转运至细胞内的前体镉离子可与蛛丝蛋白结合，诱导蛛丝蛋白从无规卷曲向β-折叠二级结构的转变，进而招募含硫还原剂并通过氧化还原反应在区室内合成量子点。这不仅巧妙地“隔离”量子点合成过程减少了对宿主细胞的毒性，而且显著提升了目标量子点的合成效率和荧光寿命，体现了活细胞内限域合成的独特优势。

图2 大肠杆菌活细胞内量子点限域合成的机理模型

该论文成果成功建立了在活细胞内通过区室化的蛋白质模板限域合成量子点的方法，不仅为量子点的生物合成提供了一种“限域合成”的新视角，而且可为亚细胞原位成像、生物修复、有机-无机复合催化等领域的应用提供机遇。

该研究获得科技部国家重点研发计划（2021YFA0909502）和国家自然科学基金（32071414）等研究项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202214177