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  熒光材料在熒光探針、生物成像、傳感器、平板顯示器等諸多領域中起著重要的作用。目前主要的熒光材料類型包括有機熒光染料，半導體量子點，熒光金屬納米粒子及稀土熒光材料。傳統熒光材料在生物標記領域有其局限性，而稀土發光材料具備熒光壽命長，發射譜尖銳，量子產率高等優點，有望成為新一代理想的熒光材料。目前開發的稀土發光材料仍存在生物相容性方面的問題，而聚羥基脂肪酸酯（PHA）作為一類由微生物合成的環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，將稀土離子高效的光致發光性與聚羥基脂肪酸酯的生物相容性結合，可以較好地解決生物毒性問題。

圖1 新型生物熒光材料-稀土PHA

  清華大學生命科學學院陳國強教授一直致力于PHA的工業化生產和應用研究。近日，該團隊基于功能化PHA成功開發出一種新型的熒光材料-稀土PHA。傳統的飽和PHA很難用于下游的化學反應，帶有不飽和側鏈基團的功能PHA則具有很高的修飾和應用價值。雖然在假單胞菌等傳統生產菌株中已被證實能生產具有功能基團的PHA，但是這些菌株在發酵過程中需要進行嚴格滅菌，生產成本較高。陳國強教授團隊基于一株從新疆艾丁湖篩選到的嗜鹽菌- Halomonas TD01開發了下一代工業生物技術，在開放連續的發酵條件下，Halomonas TD01 可以保持 14天無需滅菌的連續生產，且生產的PHA占細胞干重比例高達 70%。Halomonas 已經被開發成為一種低成本的微生物細胞工廠來生產各種各樣的化學品、 材料以及生物燃料。

  該項研究著眼于具有發展前景的Halomonas菌株，成功在其中構建了合成中長鏈功能PHA（Functional-PHA）的代謝通路，純化得到的功能PHA在其側鏈上帶有不飽和雙鍵，在此基礎上通過巰烯點擊化學反應接枝了半胱氨酸側鏈基團，得到接枝PHA（NAL-grafted-PHA），隨后利用半胱氨酸上的羰基進行配位作用，將兩種稀土離子（銪離子和鋱離子）成功捕獲在接枝PHA的側鏈上，獲得了一類新型的稀土PHA材料（Rare-earth-modified PHA ），分別為銪離子鰲合的PHA（Eu-chelated-PHA）和鋱離子鰲合的PHA（Tb-chelated-PHA）。

圖 2 稀土PHA的制備流程圖

  對該兩種稀土PHA材料進行熒光發射光譜的鑒定后，發現在兩種對應稀土離子的特征出峰位置均有明顯的熒光發射，證實了配位反應的成功進行。該稀土PHA材料具備高效的熒光發射能力，有望成為一種具有潛在熒光定位性能的生物材料。

圖 3 稀土PHA的熒光發射能力表征

  從靜態接觸角測試可見，由于側鏈上引入了親水性基團和稀土離子，制備出的稀土PHA材料的親水性能得到很大改善。通過CCK-8實驗發現，在由兩種稀土PHA制備出的薄膜上培養的hBMSC細胞均表現出較高的細胞存活率，此外，培養后的細胞形貌保持著正常狀態，說明該稀土PHA材料的生物毒性較低，生物相容性較好。以上結果說明，該稀土PHA熒光材料有望被開發成不同的生物載體，拓展其在熒光定位，生物成像，生物探針等生物醫學領域的應用。基于下一代工業生物技術的發展，陳國強教授團隊將在后續的研究中生產更多元化更大量級的功能化PHA，并進一步開發具有更高生物醫學應用價值的生物材料。

圖4 稀土PHA的生物相容性測試

  該項成果以“Highly Efficient Fluorescent Material Based on Rare-Earth-Modified polyhydroxyalkanoates” 為題在線發表在生物材料領域權威期刊Biomacromolecules上，第一作者為清華大學生命科學學院博士生俞林萍，通訊作者為陳國強教授，共同通訊作者為清華大學博新計劃獲得者蔣笑然博士。該研究工作得到了國家自然科學基金（31870859,21761132013和31430003），清華大學校長基金（2015THZ10）以及博新計劃基金（BX201700130）的資助。

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