趋磁细菌纳米磁小体的研究与应用

作者:潘宇;历娜;周润宏;赵敏 刊名:化学进展 上传者:蔡玲凌

【摘要】趋磁细菌是一类能够沿着磁场方向运动的细菌,其共同特征是能在细胞内形成有生物膜包裹的纳米级单畴磁性晶体颗粒——磁小体。磁小体的主要化学成分是磁铁矿Fe3O4,与人工合成的磁性纳米晶体相比具有化学纯度高、粒度细而均一以及生物相容性好等优点,作为新一代纳米磁性材料,在生物化学、磁性材料、临床医药和废水处理等许多领域具有巨大的潜在应用价值。磁小体在细胞内的形成过程受到严格的生物化学机制的控制,包括铁离子的吸收、磁小体膜的形成、铁离子的转运及膜内受控的Fe3O4的生物矿化四个步骤。本文从趋磁细菌细胞内磁小体的化学组成和结构,细胞内磁小体的合成条件和生化反应机制,磁小体的磁学性质、分离纯化方法以及纳米磁小体的应用等方面综述了相关的研究进展,提出了磁小体合成机理及实践应用中尚待解决的问题,展望了未来研究磁小体及其应用的发展方向。

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Contents1Introduction2Magnetotacticbacteria3Chemicalcompositionandmorphologyofmagnetosomes3.1Chemicalcompositionofmagnetosomes3.2Morphologyofmagnetosomes4Syntheticconditionsandbiochemicalmechanismsofmagnetosomes4.1Syntheticconditionsofmagnetosomes4.2Syntheticprocessesandmechanismsofmagnetosomes5Magneticpropertiesofmagnetosomesinmagnetotacticbacteria5.1Magneticpropertiesofmagnetosomes5.2Effectofchainsarrangementonmagneticproperties5.3Effectofmorphologyandchemicalcompositiononmagneticproperties6Separationandpurificationofmagnetosomes7Applicationsofmagnetosomesinralatedfields7.1Applicationinsewagetreatment7.2Applicationinmedicaltreatment7.3Applicationinsensingtechnology8Biologicalandgeosciencesignificanceofbiomineralization9Conclusions1引言磁性纳米粒子是近年来发展起来的一种新型材料,不但具有普通纳米粒子所具有的四个基本效应(小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧道效应),还因其独特的磁学性质,如超顺磁性、高矫顽力、高磁化率、易于从反应体系中分离回收等特性而备受瞩目,在临床诊断、靶向药物、生物传感、固定化酶及废水处理等领域得到了广泛的应用。然而,人工合成的磁性纳米粒子纯度较低,具有强烈的聚集倾向,且粒子表面对生物分子的特异性识别和偶联的能力较差。因此,寻找并开发出化学纯度高、具有高分散溶解性能及与生物分子相容性好的新型磁性纳米材料一直是纳米生物领域研究的热点课题。趋磁细菌(magnetotacticbacteria,MTB)是一类能够沿着磁力线运动的特殊细菌,其体内含有对磁场敏感的纳米级磁性晶体颗粒磁小体(magnetosomes,MS),因而表现出趋磁性运动特征。磁小体晶形独特、形态多种多样,由单磁畴的永磁性晶体和包裹着磁晶体的脂质双分子膜囊泡构成,靠近细胞内膜排列成磁小体链结构,形成一个天然的“生物磁铁”,趋使趋磁细菌沿地磁场方向排列和移动[24,25]。磁小体直径在35120nm,化学成分主要是磁铁矿(Fe3O4),偶见胶黄铁矿(Fe3S4)、四方硫铁矿(FeS)等。生物细胞内这种磁性成分的合成是在严格的生物化学反应控制下进行的[25],作为有机生物细胞体内合成的无机纳米颗粒,磁小体具有很多得天独厚的优势,如粒度细而均一、不易聚集,具有较大的比表面积,且颗粒外有生物膜包裹,水溶性好,不产生细胞毒性,膜上存在的大量生物活性基团使其具有极好的生物相容性,无需进行表面修饰[26,27],化学纯度高于人工合成的磁性颗粒[28,29],因此可作为新一代纳米磁性材料,在生物化学[30]、材料工程[31]、临床医药[32]和废水处

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