基于生物礦化提高生物耐熱性的新策略.pdf

1、生物礦化是指生物體內(nèi)礦物形成的過(guò)程，它將自然界中的有機(jī)軟物質(zhì)和無(wú)機(jī)硬物質(zhì)聯(lián)系起來(lái)。在自然界中，大多數(shù)生命體都進(jìn)化出了巧妙的生物礦化調(diào)控機(jī)制、能夠構(gòu)建出各種功能生物材料。例如，小至趨磁細(xì)菌中的納米磁性微晶，還有介觀的硅藻殼、植物硅晶石，以及大到宏觀尺度的骨骼和牙齒等。特別需要提到的是，從海綿到溫泉細(xì)菌，從低等硅藻到高等植物如水稻等都可以通過(guò)生物礦物來(lái)增強(qiáng)它們對(duì)抗惡劣自然環(huán)境的能力。
　　受生物礦化現(xiàn)象的啟發(fā)，我們提出通過(guò)仿生礦化來(lái)改

2、善生物體系在惡劣環(huán)境中的抗逆性。近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)分子特別是蛋白質(zhì)在生物礦化中起著至關(guān)重要的調(diào)控作用，科學(xué)家們能夠利用功能性高分子或仿生多肽來(lái)模擬礦化蛋白控制無(wú)機(jī)礦化的過(guò)程，從而能夠在近生理的溫和條件下將無(wú)機(jī)功能礦物引入生物體中并賦予它們新的特性。酵母作為一種單細(xì)胞真核生物是實(shí)現(xiàn)該設(shè)想的良好模型。病毒疫苗在疾病預(yù)防和治療中具有重要的地位，因此對(duì)它們進(jìn)行生物功能化具有十分重大的科學(xué)和社會(huì)意義。本論文通過(guò)生物礦化手段分別在酵母和病毒疫苗表

3、面引入無(wú)機(jī)礦物，并進(jìn)一步關(guān)注材料功能化后的酵母或疫苗在熱穩(wěn)定性方面的提升。全文共分為六章:
　　第一章緒論是對(duì)生物礦化的背景及本論文研究線路進(jìn)行概述。首先介紹了生物礦物的種類并對(duì)二氧化硅、磷酸鈣、碳酸鈣以及無(wú)定形礦物相進(jìn)行了重點(diǎn)敘述;然后綜述了蛋白、高分子和仿生多肽等有機(jī)分子在生物礦化中的調(diào)控作用，突出了生物體系對(duì)磷酸鈣和二氧化硅礦化的調(diào)控;接著歸納了仿生礦化研究中的一些基本原理及相關(guān)應(yīng)用;隨后提出基于仿生礦化的生物功能化設(shè)想并進(jìn)

4、而明確了在疫苗礦化改造方面展開(kāi)研究，希望獲得熱穩(wěn)定良好的液態(tài)疫苗，同時(shí)也介紹現(xiàn)有提升疫苗熱穩(wěn)定的一些方法;最后提出本研究的思路和目標(biāo)等。
　　第二章我們利用酵母細(xì)胞作為模型體系探索仿生礦化這種策略在生物功能化方面的應(yīng)用。我們通過(guò)層層自組裝并結(jié)合生物礦化手段對(duì)細(xì)胞進(jìn)行了二氧化硅殼化修飾，研究了礦物殼對(duì)生物體的影響，特別關(guān)注細(xì)胞耐熱性的提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了人工引入的硅礦物層可以改進(jìn)酵母細(xì)胞的耐熱性，其原理是二氧化硅礦物層可以通過(guò)大量的

5、氫鍵來(lái)禁錮細(xì)胞周?chē)乃肿舆M(jìn)而降低了熱運(yùn)動(dòng)對(duì)細(xì)胞膜和細(xì)胞器的破壞。
　　第三章起我們將注意力集中在熱穩(wěn)定性疫苗的開(kāi)發(fā)。該章以乙型腦炎病毒疫苗株(JEVSA14-14-2)為模型，利用原位礦化成功地在疫苗表面引入了一層納米磷酸鈣外殼。該外殼不影響疫苗基本生物學(xué)功能，但能夠顯著提高疫苗的熱穩(wěn)定性。該研究第一次提出了生物礦化策略可以用于制造出新型液態(tài)熱穩(wěn)定疫苗，為常溫疫苗的研發(fā)提供了全新的思路。這種便宜、方便的制備熱穩(wěn)定疫苗的策略有利于

6、免疫接種項(xiàng)目在發(fā)展中國(guó)家和貧困地區(qū)的推廣。
　　第四章中我們受生物體利用蛋白實(shí)現(xiàn)自礦化這一現(xiàn)象啟發(fā)，通過(guò)反向遺傳學(xué)手段獲得了一株具有自礦化能力的基因工程疫苗。該疫苗可以在近生理環(huán)境下自發(fā)地礦化形成納米磷酸鈣外殼，礦化后的疫苗在保持良好的免疫原性的基礎(chǔ)上也表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的熱穩(wěn)定性。由于這種自礦化能力具有可遺傳性，所以該方法突破了疫苗本身礦化能力的限制，為熱穩(wěn)定疫苗提供了一種普適性的制備方法，特別有利于熱穩(wěn)定疫苗的規(guī)?；a(chǎn)。

7、　　第五章中我們的目標(biāo)是通過(guò)改變礦化材料來(lái)提升礦化策略在制備熱穩(wěn)定疫苗方面的應(yīng)用。我們注意到，自然界中溫泉細(xì)菌和熱帶植物往往通過(guò)富集無(wú)定形二氧化硅來(lái)增強(qiáng)其耐熱性。受此啟迪，我們通過(guò)原位硅礦化在病毒疫苗表面引入無(wú)定形硅納米簇，大幅度提升疫苗的熱穩(wěn)定性。例如，硅礦化后的腸道病毒71型和脊髓灰質(zhì)炎病毒疫苗的熱穩(wěn)定性提高了7-10倍（磷酸鈣礦化提高疫苗熱穩(wěn)定性僅3倍左右）。硅礦化改造疫苗在室溫環(huán)境的存放可長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多月。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這些無(wú)定形

8、硅納米簇通過(guò)表面羥基與周?chē)乃肿有纬纱罅康臍滏I，進(jìn)而在疫苗表面形成水合硅層，降低了疫苗與周?chē)h(huán)境的化學(xué)鍵交換，提高了疫苗的熱穩(wěn)定性?；谠摾斫猓覀兲岢隽藷岱€(wěn)定的硅錨新概念，也在化學(xué)原理上合理的解釋了自然界中的生物體往往選擇無(wú)定形硅材料作為抗熱材料。
　　第六章我們對(duì)本論文的研究做了簡(jiǎn)要的歸納和總結(jié)，明確展示了生物礦化策略在改善生物耐熱性、尤其是在制備熱穩(wěn)定疫苗方面的巨大前景。我們還進(jìn)一步討論了今后如何更好地發(fā)展和應(yīng)用這種仿生