分析趋磁细菌改造及磁小体功能化的研究进展

谭文中

（中国农业大学，北京 100083）

磁小体（BMs）作为一种生物磁性纳米材料，可以受磁场操纵运动，在多个领域中都有其应用价值。目前改造策略主要通过改造MTB菌体内BMs的结构、组分，并借助化学修饰和生物修饰将抗体、核酸、药物等与BMS结合对其改造功能化，从而综合应用于病原检测、蛋白分离及癌症早期诊断和治疗等多个研究领域。目前广泛应用于各种BMS磁性强度测量的手段主要是陈海涛等[1]曾经使用过的CAMG法及其他在CAMG法技术基础上被不断改进的方法。

1 趋磁细菌的基本特性及特点

MTB为厌氧或微好氧的革兰氏阴性菌，主要种类有杆菌、球虫、螺旋菌、弧虫和芽孢蛋壳菌等，广泛分布于海洋、淡水等多个不同地区的地质沉积物中。不同生境中分布着不同类型的MTB，其产生的BMs的成分和颗粒形态不尽相同，因此磁性也存在着很大的强度差异，该多样性有助于我们在不同领域中应用BMs。此外，部分MTB（如生活在温泉中或深海热泉附近的MTB）还具有一定的耐热适应能力，因此被广泛应用于对微生物的非热噪声研究当中。MTB产生BMs这一过程大致可分为细胞内膜内陷、BMS蛋白定位、BMS成链、生物矿化四个步骤。在这一过程中，BMS膜上的多种蛋白参与BMS膜形成、铁的转运和生物矿化过程，其具体的矿化机制还没有得到完全详细而深刻的科学解释和正确认识[2]。

2 BMS的特性和应用

BMs是MTB产生的一种磁性细胞内结构，由脂质双分子层包围磁性晶体形成。磁性晶体的化学成分主要有两种：磁铁矿（Fe3O4）或胶黄铁矿（Fe3S4），晶体形状有很高的多样性。通常一种MTB只能合成一种成分和形状相同的BMs，但也有部分种类MTB能同时合成成分或形状不同的BMs。单个BMs磁偶极矩较小，因此在MTB细胞内BMs常常结合在类似细胞骨架的蛋白上排列成链，增大磁偶极矩从而驱动菌体趋磁运动，从而使MTB菌株到达适宜生存的有氧-无氧界面区域。BMs作为磁性纳米颗粒的特性就决定其在医疗中有很高的应用价值，例如在癌症治疗中利用其趋磁性，通过磁场控制其到达病灶区域，利用其在磁场中的热效应杀死癌症细胞。此外，BMs作为生物合成的磁性纳米材料，还具有以下几种特性。

2.1 大小形态均一

BMs的大小、形状和产量受磁场、氧气浓度、铁浓度等外界因素影响。当MTB在最优化的温度培养条件下，尤其是在低浓度氧气和高浓度铁的培养情况下，其产生的BMS具有粒度大小分布狭窄、形态均一等重要特点，其颗粒直径的极差可以缩小至10nm。

2.2 易于表面功能化修饰

BMS膜表面含有各类蛋白质、氨基酸或脂肪酸、糖类及其卵磷脂，具有氨基、巯基、羧基等多种交联基团，因此可以进行多种形式的化学和生物修饰，携带抗体、酶、生物素、核酸和药物等。在临床中，我们可以利用BMs在磁场下运动的特性使其作为药物载体到达病灶，进行疾病的精确诊断和治疗；在生物实验或食品检测中BMs也可作为多种生物大分子的载体参与酶促反应、蛋白和核酸的分离和检测[3]。

2.3 高度生物相容性

BMS的外壳表面均匀紧密地覆盖着一层富含大量脂肪和各种蛋白质的生物化学薄膜，在水中不易分散，可以有效维护其自身的稳定。而通过化学分子处理工艺合成的新型纳米材料颗粒在其晶体表面一般需要进行人工涂层处理,再同时加上一些其它具有一定水溶性的化学分子，如苯和聚乙二醇等，合成过程复杂。磁性微小体内铁可在生物机体内被其他微生物吸收进行新陈代谢，转化铁成为自由氧化铁，也可结合形成具有一定结晶性和磁性的纳米氧化铁粒或纳米生物颗粒。

2.4 低毒性

多种细胞和动植物模型均显示在低浓度下，BMs对生物体死亡率无明显影响，表明其毒性较小。但由于BMs具有MTB菌株蛋白质、核酸和多糖等生物大分子，这些纳米杂质颗粒在体内可能会快速沉淀和大量聚集，引起免疫系统毒性。而合成的纳米磁性体和纳米电子微粒等纳米化学物质在其材料制备以及工艺生产过程中需要使用多种重要化学活性试剂，其极有可能会对人体产生某种程度上的化学毒性。

3 趋磁细菌的改造策略

3.1 对趋磁细菌基因组的改造

多个基因决定成熟BMs的形状和大小，例如mms6。该基因表达的蛋白与铁离子有极强的结合能力，因而可作为晶体形成的起始位点并影响成熟晶体的形状和大小[4]。mamC、mamG、mamD等基因也参与晶体大小的调节。这提示我们可以筛选这些基因的突变体从而根据应用需要生产形状大小合适的BMs。此外，筛选MTB的铁离子转运蛋白（MamB、MamM等）突变体也有助于增强MTB对铁的吸收，从而增加BMs产量。

3.2 趋磁细菌组成的改造

Chen[5]利用MTB受磁场控制运动的特性，创造性地利用蛋白A将兔抗MO-1多克隆抗体连接在MO-1菌株细胞膜表面，将其改造为磁性细菌微型机器人。利用微流控芯片控制磁场，研究者能使这种微型机器人到达病原菌富集区，携带并分离病原菌。

3.3 在趋磁细菌培养中掺杂其他金属

多种金属离子能掺杂在BMs中，改善其物理性能。Li[6]在MTB的培养基中直接掺杂添加钴离子，利用X射线磁性圆二色性(XMCD)方法综合分析得到大量金属钴在BMS内直接掺杂的有力实验证据。实验表明掺杂钴离子的BMs有着很好的矫顽值和低Verway转变温度。

4 总结

趋磁细菌所产的BMS作为新兴生物纳米磁性材料，具有生物相容性好、颗粒大小均匀等优点,使其在生物工程、医疗医药等领域具有极大的应用和研究潜能。对野生型趋磁细菌的深入改造和对培养条件的优化有助于增加BMs产量，进一步扩大其应用范围。