王婉蓉，秦 雯，顧俊婷，鄭秀麗，唐笑怡，焦 凱，牛麗娜

(1.軍事口腔醫(yī)學(xué)國家重點實驗室 口腔疾病國家臨床醫(yī)學(xué)研究中心 陜西省口腔醫(yī)學(xué)重點實驗室第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科，陜西 西安 710032)( 2.中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九二○醫(yī)院(昆明醫(yī)科大學(xué)教學(xué)醫(yī)院)，云南 昆明 650032)

1 前 言

生物礦化是指生物體通過蛋白質(zhì)等生物大分子調(diào)控?zé)o機(jī)礦物形成的過程。在此過程中形成的具有納米級結(jié)構(gòu)的生物礦物，不僅具備極佳的強(qiáng)度和斷裂韌性，也呈現(xiàn)出良好的生物相容性。迄今為止，已從生物中鑒定出60多種不同的礦物質(zhì)。這些礦物對于自然界的物質(zhì)循環(huán)起著重要作用[1]。細(xì)菌作為自然界最活躍的微生物之一，在生物礦物的形成中發(fā)揮著重要的作用。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量由細(xì)菌介導(dǎo)生成的礦物，例如有研究發(fā)現(xiàn)嗜鹽菌及枝芽孢菌可以促進(jìn)白云石的形成；球形芽孢桿菌有助于碳酸鈣晶體的形成[2]。

細(xì)菌介導(dǎo)的礦化與生命演變息息相關(guān)。在原始環(huán)境下最早出現(xiàn)的是原核生物礦化，這表明細(xì)菌-礦物相互作用是生命史早期的一個重要現(xiàn)象。這種相互作用對于古老地球環(huán)境的研究以及尋找其他行星表面生命都有著重大意義[3]。當(dāng)外界環(huán)境轉(zhuǎn)變至有利于礦化發(fā)生時，細(xì)菌通常有著多種不同的應(yīng)答方式，例如通過形成生物膜避免被礦化或在保存細(xì)菌活性的前提下嵌入礦物中，甚至可在礦物形成過程中控制其形態(tài)。此種現(xiàn)象說明細(xì)菌的進(jìn)化與周圍環(huán)境的改變息息相關(guān)[4]。

相比于化學(xué)合成的方式，細(xì)菌合成礦物不僅綠色經(jīng)濟(jì)環(huán)保，且操作較為方便，因此細(xì)菌介導(dǎo)的生物礦化在環(huán)境凈化、工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)藥研究等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用已成為目前研究的熱點。例如一些由微生物礦化引起的疾病有可能通過對細(xì)菌的干預(yù)進(jìn)而治愈[5]；由于生物礦物具有良好的生物相容性，因此可作為藥物載體應(yīng)用在腫瘤疾病的靶向治療中[6]；除此之外，可通過化學(xué)交聯(lián)和基因編輯等方式修飾細(xì)菌蛋白，使生物礦物的形態(tài)和大小根據(jù)工業(yè)需要進(jìn)行合成[7]。本文綜述了細(xì)菌介導(dǎo)生物礦化的類型、作用機(jī)理及應(yīng)用，為進(jìn)一步的生物礦化研究提供參考。

2 細(xì)菌介導(dǎo)生物礦化的類型

2.1 鈣化

細(xì)菌介導(dǎo)的鈣化存在于天然礦物和生物體內(nèi)。研究發(fā)現(xiàn)好氧菌如Salinivibrio和Virgibacillus有助于MgCa-(CO3)2的形成，而MgCa(CO3)2被認(rèn)為是天然礦物白云石的前體[8]。甲殼類動物、海洋生物、植物甚至人體組織均可見由細(xì)菌介導(dǎo)的鈣化發(fā)生。甲殼類動物是指蝦、蟹等有堅硬外殼保護(hù)的動物，其外殼由甲殼質(zhì)、結(jié)合蛋白和碳酸鈣構(gòu)成，具有排泄、感知和保護(hù)的作用[9]。研究發(fā)現(xiàn)甲殼類動物Titanethesalbus的鈣體內(nèi)存在大量細(xì)菌，且鈣體的中心存在結(jié)晶晶核[10]。海綿是一種海洋無脊椎動物，體內(nèi)存在多種鈣化細(xì)菌，這些細(xì)菌可產(chǎn)生鈣化小球覆蓋在海綿表面，模擬外周骨骼結(jié)構(gòu)，保護(hù)海綿免受外界的傷害，從而提高海綿存活率[9, 11]。細(xì)菌介導(dǎo)的鈣化也存在于人體組織中。有研究證實尿路結(jié)石的發(fā)生可能與假單胞菌、乳酸菌及腸桿科菌有關(guān)。細(xì)菌導(dǎo)致尿路結(jié)石產(chǎn)生的可能機(jī)制有以下3種：細(xì)菌選擇性地聚集在草酸鈣晶體上使鈣鹽增長變快；細(xì)菌釋放檸檬酸裂解酶，降低尿液中檸檬酸水平的同時提高草酸鹽濃度，從而導(dǎo)致尿液過飽和，致使結(jié)晶形成；細(xì)菌-晶體聚集體可與腎小管上皮結(jié)合，導(dǎo)致腎小管上皮或炎性細(xì)胞中結(jié)石基質(zhì)蛋白的表達(dá)，從而形成結(jié)石[5]。

細(xì)菌誘導(dǎo)的鈣化也可發(fā)生在極端環(huán)境下。PlanococcushalocryophilusOr1在-15 ℃時可使調(diào)控碳酸鈣礦化的碳酸酐酶表達(dá)升高，導(dǎo)致更多的碳酸鈣沉積在細(xì)菌細(xì)胞膜中[12]。

2.2 硅化

除鈣化之外，細(xì)菌亦參與了自然界的硅化過程。據(jù)報道，在Imawarì Yeuta洞穴中發(fā)現(xiàn)的無定形二氧化硅是由絲狀細(xì)菌藍(lán)藻介導(dǎo)產(chǎn)生的。藍(lán)藻的代謝產(chǎn)物使洞穴環(huán)境pH值升高，致巖石溶解。溶解產(chǎn)生的二氧化硅可在細(xì)菌細(xì)胞膜上以無定形的形式重新沉淀[13]，形成管狀及絲狀的巖石結(jié)構(gòu)。另外，藍(lán)藻的硅化作用有助于化石在形成過程中保存完好的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使考古學(xué)家可以獲得更多有關(guān)古生物的生命信息[14]。

2.3 鐵礦化

多種細(xì)菌都可介導(dǎo)產(chǎn)生四氧化三鐵(Fe3O4)和硫化鐵(Fe3S4、Fe1-xS、Fe9S8)，其中趨磁細(xì)菌(magnetotactic bacteria, MTB)是目前研究的熱點。MTB是一種能夠沿著地球磁場運(yùn)動或排列的原核生物[15]。目前已知的多數(shù)MTB屬于α-蛋白菌、δ-蛋白菌、γ-蛋白菌和硝化螺菌類[16]，均為革蘭氏陰性細(xì)菌，有球形、弧形、桿形及螺旋形等多種形態(tài)。MTB中負(fù)責(zé)趨磁運(yùn)動的細(xì)胞器是由細(xì)菌生物礦化合成的磁小體。磁小體由脂質(zhì)雙分子膜包裹的納米級磁鐵礦晶體構(gòu)成[17]，是淡水沉積物中的重要天然磁性元素。這些磁性納米晶體具有粒度均一、純度高、磁性強(qiáng)和生物相容性良好等特點。

磁性納米顆粒在自然界中發(fā)揮著重要作用。由于產(chǎn)生膠黃鐵礦的MTB需要硫才能合成磁小體，因此膠黃鐵礦被認(rèn)為是地質(zhì)歷史上停滯缺氧狀態(tài)(一種無氧狀態(tài)，由于游離H2S水平升高而呈硫化物狀態(tài))的指標(biāo)[18]。此外，在微生物的進(jìn)化過程中，環(huán)境中氧氣的出現(xiàn)給微生物帶來了源于活性氧的毒性，而嗜熱性嗜酸菌Sulfolobussolfataricus能夠通過氧化作用將Fe2+氧化成Fe3+形成鐵礦物，這可以認(rèn)為是原始生命對于氧氣環(huán)境的適應(yīng)[19]。另外人體組織中的磁性納米顆粒與眾多疾病的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。有研究在多種人體器官中均發(fā)現(xiàn)了磁性納米顆粒的存在，其中小腦和腦干分布較多[20]。由于這些磁性顆粒與MTB產(chǎn)生的晶體較為相似，因此被認(rèn)為其來源為MTB。研究發(fā)現(xiàn)磁性氧化鐵納米顆粒在中樞神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞(尤其是星形膠質(zhì)細(xì)胞)的過度積累可能導(dǎo)致正常的鐵代謝紊亂，這是神經(jīng)退行性疾病產(chǎn)生的一個標(biāo)志性特征，但具體的機(jī)制有待于更進(jìn)一步的研究[21]。

3 細(xì)菌介導(dǎo)生物礦化的發(fā)生機(jī)制

自然界的生物礦化可分為生物誘導(dǎo)礦化和生物控制礦化。生物誘導(dǎo)礦化是由生物的生理代謝活動引起環(huán)境條件變化而發(fā)生的礦化，其中，生物不能直接控制沉淀物的產(chǎn)生位置或產(chǎn)生方式(圖1a)。生物控制礦化是由生物的生理活動引起的，可產(chǎn)生高度有序的沉淀物，且沉淀物大小、質(zhì)地和方向受生物體控制(圖1b)[22]。

圖1 生物誘導(dǎo)礦化(a)和生物控制礦化(b)的示意圖[22]Fig.1 Schematic representation of biologically induced mineralization (a) and biologically controlled mineralization (b)[22]

根據(jù)發(fā)生位置的不同，細(xì)菌介導(dǎo)的礦化可分為細(xì)胞外礦化和細(xì)胞內(nèi)礦化。細(xì)胞外礦化是指發(fā)生在細(xì)胞周圍基質(zhì)中的礦化。細(xì)胞可通過細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)將陽離子泵出，或通過分泌含有陽離子的囊泡，介導(dǎo)周圍基質(zhì)的礦化。細(xì)胞內(nèi)礦化則是指由細(xì)胞的代謝活動介導(dǎo)的胞內(nèi)囊泡礦化。細(xì)胞內(nèi)礦化的產(chǎn)物可以存在于細(xì)胞內(nèi)(如MTB)，也可以通過胞吐作用釋放到胞外(如硅藻)。礦化的基本化學(xué)反應(yīng)過程為羧基、磷酸基團(tuán)、胺基和羥基等帶負(fù)電荷的基團(tuán)與金屬陽離子結(jié)合，形成礦物。以鈣化物羥基磷灰石(hydroxyapatite，HAP)為例，其基本的化學(xué)反應(yīng)過程如下：

10Ca(OH)2+6H3PO4→ Ca10(PO4)6(OH)2+18H2O

3.1 細(xì)胞外礦化

3.1.1 初始礦化

細(xì)胞外礦化發(fā)生的首要條件是細(xì)菌周圍有足夠的可溶性離子。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌可通過多種不同機(jī)制增加可溶性離子的濃度，例如大腸桿菌在堿性磷酸酶的作用下可以釋放磷酸根離子[23]，浮生細(xì)菌可以通過分泌酸(羧酸、鹽酸等)降低環(huán)境中的pH值，從而溶解無機(jī)磷酸鹽、增加可溶性離子[24]。

初始礦化階段可由經(jīng)典結(jié)晶理論和非經(jīng)典結(jié)晶理論來解釋(圖2)[25]。經(jīng)典結(jié)晶理論認(rèn)為，成核是相變的開始，這個過程是不可逆的。在細(xì)菌礦化過程中，成核位點位于胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)或細(xì)菌表面蛋白質(zhì)上。EPS由細(xì)菌分泌的大分子構(gòu)成，包含了多糖、蛋白質(zhì)、DNA、脂類等物質(zhì)。由于EPS中的大分子物質(zhì)含有羧基、磷酸基團(tuán)、胺基和羥基等帶負(fù)電荷的基團(tuán)，EPS降解后，可與局部過飽和的陽離子相互結(jié)合引起礦物沉淀[26]。當(dāng)成核位點位于細(xì)菌表面蛋白質(zhì)上時，金屬陽離子如鐵離子可直接與細(xì)菌表面蛋白質(zhì)中的羧基和羥基反應(yīng)，通過金屬氧化反應(yīng)形成金屬-蛋白質(zhì)復(fù)合物[27]。

圖2 經(jīng)典結(jié)晶理論及非經(jīng)典結(jié)晶理論示意圖[25]Fig.2 Schematic diagram of classical nucleation theory and non-classical nucleation theory[25]

而非經(jīng)典結(jié)晶理論認(rèn)為晶體的形成是以粒子為媒介，由動力學(xué)控制的、與相分離無關(guān)的結(jié)晶過程。在溶液中首先形成具有彌散邊界的無定形離子簇，稱之為預(yù)成核簇(pre-nucleation clusters,PNC)。PNC是熱力學(xué)穩(wěn)定的聚集體，可存在于各種不飽和或超飽和溶液中[28]。接著，PNC聚集形成無定形礦物前體，在碳酸鈣形成過程中的無定形礦化前體為無定形碳酸鈣(amorphous calcium carbonate，ACC)[29]，在磷酸鈣形成過程中的無定形礦化前體為無定形磷酸鈣(amorphous calcium phosphate，ACP)[30]，繼而無定形礦化前體失去結(jié)合水，經(jīng)過固態(tài)轉(zhuǎn)化結(jié)晶[31]。更進(jìn)一步的研究認(rèn)為，這種生物礦化過程發(fā)生在由特定蛋白質(zhì)形成的水凝膠環(huán)境中，其特有的內(nèi)部孔隙充當(dāng)“有限體積的反應(yīng)容器”，可以促進(jìn)無定形礦化前體的形成[32]。

3.1.2 晶體生長

晶體生長過程決定了最終晶體的大小和形態(tài)。和初始礦化相似，晶體生長也可以通過經(jīng)典結(jié)晶理論和非經(jīng)典結(jié)晶理論來解釋。

經(jīng)典結(jié)晶理論認(rèn)為，在高過飽和溶液中以成核為主，而在低過飽和溶液中晶體生長占主導(dǎo)地位[33]。在這一過程中依據(jù)的是奧斯瓦爾德現(xiàn)象，即在溶液過飽和的情況下，熱力學(xué)能量驅(qū)動單個原子或分子沉積在成核部位，使材料有序排列生長成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。溶液中不同的添加劑和物理參數(shù)會導(dǎo)致每個單晶面的生長速率不同，從而形成形態(tài)各異、大小不一的晶體[34]。

非經(jīng)典結(jié)晶理論認(rèn)為，礦化前體無定形碳酸鈣或無定形磷酸鈣通過定向附著形成介晶結(jié)構(gòu)，繼而在蛋白質(zhì)的引導(dǎo)下組裝聚集成為晶體結(jié)構(gòu)。在此過程中，蛋白質(zhì)發(fā)揮著重要作用。例如海膽脊椎基質(zhì)蛋白SPSM50不僅可增強(qiáng)無定形礦化前體的穩(wěn)定性，而且以介晶結(jié)構(gòu)的形式誘導(dǎo)了晶體的定向生長[35]。

3.2 細(xì)胞內(nèi)礦化

細(xì)胞內(nèi)礦化是指用于細(xì)胞內(nèi)礦化的離子在轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的作用下被富集至囊泡中，繼而發(fā)生礦化[36]。細(xì)胞內(nèi)礦化與細(xì)胞外礦化最大的不同在于有囊泡的參與。在此過程中，囊泡膜上的蛋白質(zhì)以及囊泡內(nèi)的蛋白質(zhì)不僅為礦化提供成核位點，也形成了一個“有限體積”以實現(xiàn)蛋白質(zhì)等分子的集中，稱為分子擁擠(molecular crowding)。在結(jié)晶發(fā)生前，一些分子(如聚乙二醇)會抑制礦物前體的形成和自我聚集；在結(jié)晶發(fā)生時另一些大分子(如牛血清白蛋白)則會促進(jìn)礦化前體的聚集[37]。這一過程也是仿生礦化中的研究熱點。

MTB誘導(dǎo)的鐵礦化是細(xì)胞內(nèi)礦化的典型代表。其在磁小體內(nèi)產(chǎn)生納米級別鐵磁性顆粒的可能機(jī)制如下(圖3)[38]：首先細(xì)胞質(zhì)膜(圖3a)內(nèi)陷形成囊泡(圖3b)，其次轉(zhuǎn)鐵蛋白將鐵離子(經(jīng)細(xì)胞)轉(zhuǎn)運(yùn)到囊泡中。包裹Fe2+的囊泡與細(xì)胞骨架接觸時，F(xiàn)e2+氧化成為Fe3+，膜上的蛋白質(zhì)啟動成核，并且調(diào)控囊泡內(nèi)礦化形成磁鐵礦晶體(圖3c)，稱之為磁小體。磁小體膜上的蛋白質(zhì)可與肌動蛋白相互作用，使磁小體成鏈狀排列(圖3d)。隨后，在細(xì)胞分裂過程中細(xì)胞壁通過彎曲磁小體鏈減少磁力，促進(jìn)磁小體均勻地分離到子細(xì)胞中(圖3e和3f)。研究表明，MTB基因組上有一段特殊的區(qū)域，稱為磁小體島(圖3g)，該基因島與磁小體的形成密切相關(guān)。相關(guān)基因如mms及mam家族可調(diào)控鐵磁性顆粒的形狀和大小[39]。另有研究發(fā)現(xiàn)，磁小體內(nèi)鐵磁性顆粒的形態(tài)可能與MTB的來源有一定的關(guān)聯(lián)。例如來自α-蛋白菌和γ-蛋白菌菌屬的MTB常產(chǎn)生各向同性生長的八面體棱柱形的鐵磁礦，而硝化螺菌菌屬的MTB常產(chǎn)生各向異性生長的子彈型鐵磁礦[40]。

圖3 磁小體的形成過程[38]Fig.3 The formation process of magnetosomes[38]

4 細(xì)菌介導(dǎo)生物礦化的應(yīng)用

4.1 環(huán)境應(yīng)用

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，大量的有毒金屬及放射性核素被排放至環(huán)境中，對人類健康造成了極大的威脅。如何快速有效地回收環(huán)境中的污染物是學(xué)者們亟需解決的問題。隨著細(xì)菌介導(dǎo)礦化研究的進(jìn)一步深入，有學(xué)者提出可通過耐重金屬細(xì)菌誘導(dǎo)有毒金屬礦化來回收環(huán)境中的鍶、鎳、鉻、鉛、鈾、鎘等有毒金屬，改善環(huán)境質(zhì)量[41]。雖然高濃度的金屬離子可導(dǎo)致多數(shù)細(xì)菌核酸紊亂及滲透壓失衡，但對于這些損傷，細(xì)菌已進(jìn)化出了精妙的抗重金屬機(jī)制，如金屬離子的跨膜運(yùn)輸、形成胞內(nèi)外沉淀、與胞內(nèi)金屬硫蛋白的螯合作用等均可將有毒金屬離子轉(zhuǎn)化為無毒或毒性較小的物質(zhì)(圖4)[42]。由于細(xì)菌的大部分抗重金屬基因位于質(zhì)粒上，因此可通過基因操作得到基因編輯細(xì)菌，從而用于生物修復(fù)[43]。例如，研究發(fā)現(xiàn)趨磁細(xì)菌UPB-MAG05菌株對重金屬鎘具有高度耐受性，可介導(dǎo)污染水源中鎘的礦化沉積，繼而在外界磁場的作用下通過磁分離去除，從而凈化水質(zhì)[44]。磷酸鹽增溶芽孢桿菌可分解含磷酸鹽的有機(jī)化合物，在其細(xì)胞表面產(chǎn)生磷酸鹽基團(tuán)，并與鉛離子沉淀為穩(wěn)定的Pb3(PO4)2，從而達(dá)到清除鉛離子的目的[45]。相較于傳統(tǒng)的物理化學(xué)修復(fù)方法，通過細(xì)菌礦化重金屬修復(fù)污染環(huán)境的方法具有成本低廉、后期處理簡單等優(yōu)點，但細(xì)菌礦化重金屬的長期有效性尚未得到證明，已經(jīng)結(jié)合的重金屬在環(huán)境變化的條件下可能重新活化，回到環(huán)境中。

圖4 細(xì)菌抗多種有毒金屬的機(jī)制[42]Fig.4 The mechanism of bacterial resistance to toxic metals[42]

4.2 工業(yè)應(yīng)用

細(xì)菌介導(dǎo)的礦化也可以用于電化學(xué)領(lǐng)域的能源存儲。研究發(fā)現(xiàn)鐵氧化細(xì)菌Acidovorax可介導(dǎo)γ-FeOOH發(fā)生礦化，形成保留細(xì)菌大小和形狀的α-Fe2O3納米晶體。α-Fe2O3納米晶體組裝形成中空多孔的殼，導(dǎo)電性強(qiáng)，在與鋰反應(yīng)時有更強(qiáng)的電化學(xué)可逆性。此種生成納米晶體的方法不僅具有生態(tài)友好性，也可實現(xiàn)工業(yè)上的規(guī)?；a(chǎn)[46]。由電化學(xué)活性細(xì)菌Shewanellaoneidensis介導(dǎo)合成的高度分散的鈀金合金納米粒子可用作液體燃料電池的電催化劑[47]。研究發(fā)現(xiàn)，通過基因技術(shù)使大腸桿菌表面表達(dá)硅藻silaffin蛋白的重復(fù)片段，其調(diào)控合成的納米二氧化鈦銳鈦礦具有出色的鋰儲存性能，可用作鋰離子電池的陽極[48]。

混凝土是目前廣泛使用的建筑材料，但隨著時間的流逝，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的裂縫會降低建筑結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，縮短建筑物使用年限。有研究提出可在混凝土中加入能夠介導(dǎo)碳酸鹽沉淀的細(xì)菌，其產(chǎn)生的碳酸鈣可增強(qiáng)混凝土對氯離子和滲透水的抵抗力，提高混凝土耐久性和強(qiáng)度；同時碳酸鈣可填補(bǔ)裂縫，形成自修復(fù)混凝土，增加建筑的使用壽命(圖5)[49]。研究證實，當(dāng)初始裂縫寬度不大于0.5 mm時，使用自修復(fù)混凝土?xí)r大部分裂縫可完全愈合[47]。但由于混凝土由硅酸鹽水泥制成，水化后可產(chǎn)生氫氧化鈣，使混凝土呈強(qiáng)堿性，且混凝土基質(zhì)中的孔隙尺寸小于1 μm，而細(xì)菌的大小為1～4 μm，這些條件都不利于細(xì)菌存活[50]。因此如何提高細(xì)菌在混凝土基質(zhì)中的生存能力是目前的研究熱點。有學(xué)者提出可使用微膠囊技術(shù)來保護(hù)細(xì)菌，使細(xì)菌在合適的環(huán)境下介導(dǎo)碳酸鹽沉淀[51]。

圖5 通過細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀修復(fù)混凝土開裂的示意圖[49]Fig.5 Schematic of bacteria induced calcium carbonate precipitation to repair concrete cracking[49]

4.3 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

4.3.1 醫(yī)療成像設(shè)備和診斷

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)技術(shù)由于具有良好的空間分辨率和軟組織對比度，是臨床上常用的影像檢查手段之一。研究發(fā)現(xiàn)MTB產(chǎn)生的磁性納米顆粒具有較強(qiáng)磁性，可作為造影劑增強(qiáng)組織中質(zhì)子共振吸收，使局部組織圖像得到增強(qiáng)，從而提高檢查的靈敏度和特異性[52]。

除增強(qiáng)成像對比度之外，功能化的磁性納米顆粒芯片還可用于食源性病原物的檢測，如大腸桿菌、霍亂弧菌、空腸彎曲菌、金黃色葡萄球菌等[53]。如圖6所示，趨磁細(xì)菌MO-1功能化之后可與金黃色葡萄球菌表面的A蛋白結(jié)合，從而實現(xiàn)靶向功能[54]。目前可以通過化學(xué)修飾和基因工程的方法生產(chǎn)功能化磁小體。

圖6 趨磁細(xì)菌靶向金黃色葡萄球菌的微機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)建[54]Fig.6 Construction of a microrobot system using magnetotactic bacteria for targeting Staphylococcus aureus[54]

化學(xué)修飾作用于磁小體中的Mam、Mms等蛋白上，有以下結(jié)合方式：① 通過磁小體膜上的氨基或羧基進(jìn)行功能化修飾，例如經(jīng)肽P75修飾的磁小體可與人表皮生長因子受體和上皮生長因子受體2結(jié)合[55]；② 使用葡萄球菌蛋白A用作融合標(biāo)簽，葡萄球菌蛋白A作為一種免疫球蛋白G結(jié)合蛋白，可與MamC、MamF以及免疫球蛋白Fc區(qū)結(jié)合，從而介導(dǎo)磁小體-葡萄球菌蛋白A復(fù)合物與抗體結(jié)合[56]；③ 利用磁小體膜上的—NH2基團(tuán)與抗體的—NH2或—SH基團(tuán)之間的反應(yīng)進(jìn)行化學(xué)修飾；④ 用生物素/鏈霉親和素進(jìn)行修飾；⑤ 利用正負(fù)電荷之間的相互作用進(jìn)行修飾，磁小體膜上的磷脂帶有負(fù)電荷，可與帶正電荷的抗癌重組質(zhì)粒熱激蛋白、70-polo樣激酶1短發(fā)夾RNA以及阿霉素結(jié)合[57]。

另外還可通過基因工程改造對磁小體進(jìn)行功能化修飾。將表達(dá)功能蛋白的基因與mms16，mam13等膜蛋白基因融合，再將融合基因轉(zhuǎn)移到MTB中，從而可實現(xiàn)目標(biāo)蛋白的表達(dá)。例如，將磁小體和翡翠綠色熒光蛋白(EmGFP)或生物素修飾的煙草花葉病毒(tobacco mosaic virus,TMV)共同培養(yǎng)，可生成表達(dá)這些蛋白的磁性納米鏈[58]。

由于化學(xué)修飾可能引入有毒物質(zhì)，且在MTB中引入外來活性蛋白質(zhì)的基因的操作比較復(fù)雜，因此最近的研究中提出了一種新的修飾方法。首先通過基因技術(shù)在大腸肝菌中表達(dá)與磁小體MamC蛋白融合的抗人表皮生長因子受體2(human epidermal growth factor receptor-2，HER2)，然后去除磁小體膜中的磷脂雙層中的膜蛋白，以利于從大腸肝菌中提取的基因工程產(chǎn)物抗HER2與磁小體上的MamC蛋白結(jié)合，從而實現(xiàn)HER2陽性乳腺癌在磁共振成像中的檢測[59]。這種技術(shù)有望成為無創(chuàng)檢測腫瘤的手段，具有較大的臨床應(yīng)用價值。

4.3.2 抗腫瘤方法

高溫療法可通過多種機(jī)制作用于癌細(xì)胞上使其變性壞死，但目前該療法缺乏特異性，難以區(qū)分健康細(xì)胞與癌細(xì)胞。遂有研究提出“生物靶向磁性熱療”的概念，意為在外源交變磁場的作用下加熱磁性顆粒，由于磁滯損耗或松弛損耗產(chǎn)生不同程度的升溫現(xiàn)象，可在磁性顆粒聚集的地方選擇性地抑制癌細(xì)胞增殖[60]。由MTB產(chǎn)生的磁小體由于磁性較強(qiáng)，可在交變磁場中產(chǎn)生較大的熱量；同時由于磁小體呈鏈狀排列，不易聚集，可使腫瘤細(xì)胞均勻升溫，有效抑制其增殖[61]，因此磁小體在磁熱療領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景。研究表明，聚賴氨酸包裹的磁小體具有更好的生物相容性，在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤小鼠模型的實驗性磁熱療中，可顯著抑制腫瘤細(xì)胞的生長[6]。但是到目前為止，多數(shù)關(guān)于磁小體抗腫瘤治療的研究都是使用腫瘤細(xì)胞株進(jìn)行實驗的，未進(jìn)行動物實驗研究或人類臨床試驗，因此磁小體的臨床抗腫瘤能力還需進(jìn)一步驗證。

4.3.3 藥物輸送系統(tǒng)

靶向給藥是指將藥物選擇性地傳輸定位于病變位置，從而發(fā)揮藥理作用的給藥方式。在腫瘤微環(huán)境中，由于細(xì)胞的大量增殖消耗氧氣，腫瘤組織周圍氧氣缺乏。目前使用的納米藥物載體，如脂質(zhì)體、膠束、聚合物納米顆粒難以到達(dá)缺氧區(qū)域，靶向率低。而MTB適合厭氧生長，故目前有研究通過MTB和磁小體構(gòu)建納米機(jī)器人，在外磁場的作用下，納米機(jī)器人可聚集于病變部位，提高病變部位的藥物濃度，改善治療效果[62]。例如，將載有藥物的納米脂質(zhì)體交聯(lián)至海洋趨磁細(xì)菌MC-1表面，并將其注射到實驗小鼠的腫瘤組織周圍，在外磁場的作用下，有高達(dá)55%的MC-1細(xì)胞滲透到腫瘤缺氧區(qū)[63]。

5 結(jié) 語

綜上所述，相比于物理和化學(xué)合成方法，細(xì)菌介導(dǎo)生成的礦物在環(huán)境、工業(yè)及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域均發(fā)揮著重要的作用。雖然目前對細(xì)菌介導(dǎo)的生物礦化的研究已經(jīng)取得部分進(jìn)展，但仍有許多關(guān)鍵的科學(xué)問題亟待解決。由于多數(shù)細(xì)菌介導(dǎo)礦物生成的實驗室培養(yǎng)條件并不適宜工業(yè)化生產(chǎn)，所以如何將實驗室階段的科學(xué)成果轉(zhuǎn)化為可規(guī)?；a(chǎn)的具體技術(shù)是限制其應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。其次，雖然納米機(jī)器人在腫瘤治療領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景，但人體免疫系統(tǒng)對其會有如何反應(yīng)目前尚不完全清楚[64]。為了實現(xiàn)細(xì)菌介導(dǎo)生物礦化的大規(guī)模應(yīng)用，還需進(jìn)一步地研究以解決上述問題。