陈国强教授基于功能化聚羟基脂肪酸酯开发新型生物荧光材料

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荧光材料在荧光探针、生物成像、传感器、平板显示器等诸多领域中起着重要的作用。目前主要的荧光材料类型包括有机荧光染料，半导体量子点，荧光金属纳米粒子及稀土荧光材料。传统荧光材料在生物标记领域有其局限性，而稀土发光材料具备荧光寿命长，发射谱尖锐，量子产率高等优点，有望成为新一代理想的荧光材料。目前开发的稀土发光材料仍存在生物相容性方面的问题，而聚羟基脂肪酸酯（PHA）作为一类由微生物合成的环境友好型高分子材料，具有良好的生物可降解性和生物相容性，将稀土离子高效的光致发光性与聚羟基脂肪酸酯的生物相容性结合，可以较好地解决生物毒性问题。

清华大学生命科学学院陈国强教授一直致力于PHA的工业化生产和应用研究。近日，该团队基于功能化PHA成功开发出一种新型的荧光材料-稀土PHA。传统的饱和PHA很难用于下游的化学反应，带有不饱和侧链基团的功能PHA则具有很高的修饰和应用价值。虽然在假单胞菌等传统生产菌株中已被证实能生产具有功能基团的PHA，但是这些菌株在发酵过程中需要进行严格灭菌，生产成本较高。陈国强教授团队基于一株从新疆艾丁湖筛选到的嗜盐菌- Halomonas TD01开发了下一代工业生物技术，在开放连续的发酵条件下，Halomonas TD01 可以保持 14天无需灭菌的连续生产，且生产的PHA占细胞干重比例高达 70%。Halomonas 已经被开发成为一种低成本的微生物细胞工厂来生产各种各样的化学品、 材料以及生物燃料。

该项研究着眼于具有发展前景的Halomonas菌株，成功在其中构建了合成中长链功能PHA（Functional-PHA）的代谢通路，纯化得到的功能PHA在其侧链上带有不饱和双键，在此基础上通过巯烯点击化学反应接枝了半胱氨酸侧链基团，得到接枝PHA（NAL-grafted-PHA），随后利用半胱氨酸上的羰基进行配位作用，将两种稀土离子（铕离子和铽离子）成功捕获在接枝PHA的侧链上，获得了一类新型的稀土PHA材料（Rare-earth-modified PHA ），分别为铕离子鳌合的PHA（Eu-chelated-PHA）和铽离子鳌合的PHA（Tb-chelated-PHA）。

对该两种稀土PHA材料进行荧光发射光谱的鉴定后，发现在两种对应稀土离子的特征出峰位置均有明显的荧光发射，证实了配位反应的成功进行。该稀土PHA材料具备高效的荧光发射能力，有望成为一种具有潜在荧光定位性能的生物材料。

从静态接触角测试可见，由于侧链上引入了亲水性基团和稀土离子，制备出的稀土PHA材料的亲水性能得到很大改善。通过CCK-8实验发现，在由两种稀土PHA制备出的薄膜上培养的hBMSC细胞均表现出较高的细胞存活率，此外，培养后的细胞形貌保持着正常状态，说明该稀土PHA材料的生物毒性较低，生物相容性较好。以上结果说明，该稀土PHA荧光材料有望被开发成不同的生物载体，拓展其在荧光定位，生物成像，生物探针等生物医学领域的应用。基于下一代工业生物技术的发展，陈国强教授团队将在后续的研究中生产更多元化更大量级的功能化PHA，并进一步开发具有更高生物医学应用价值的生物材料。

该项成果以“Highly Efficient Fluorescent Material Based on Rare-Earth-Modified polyhydroxyalkanoates” 为题在线发表在生物材料领域权威期刊Biomacromolecules上，第一作者为清华大学生命科学学院博士生俞林萍，通讯作者为陈国强教授，共同通讯作者为清华大学博新计划获得者蒋笑然博士。该研究工作得到了国家自然科学基金（31870859,21761132013和31430003），清华大学校长基金（2015THZ10）以及博新计划基金（BX201700130）的资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.biomac.8b01722