小球藻

微纳机器人在低雷诺数流体中可将能量转化为有效运动，因此在生物医学领域具有巨大的应用前景。近年来，磁性微纳机器人作为一种有发展前景的靶向给药平台而受到了特别的关注。科研工作者设计了不同的磁性微纳机器人用于高效递送抗癌药物至靶向肿瘤部位并取得了较好的效果。研究发现，作为体内给药的平台或载体，一方面，微纳机器人的生物相容性是至关重要；另一方面，微纳机器人的重构对于其在复杂变化环境中高度灵活地完成给药具有重要意义。然而，目前来说，微纳机器人的研究在同时满足这两方面的要求上仍具有一定的挑战性。 天然生物模板具有良好的生物相容性和精致结构的固有优势，有望为磁性微纳机器人的制备提供新的机遇。小球藻是一种具有良好的生物相容性和生物降解性的单细胞微藻。它们具有均匀的球状结构，直径约为3-5μm。这些特性使它们具有作为理想天然生物材料用于生物医学领域的优越性。然而，由于扇贝定理的限制，在低雷诺数流体中采用动态磁场有效地驱动具有简单对称球体形状的单一微球是不可行的，这限制了微藻细胞在微机器人领域的应用潜力。近日，北京航空航天大学蔡军课题组制备了一种基于小球藻细胞的磁性复合多聚体微机器人，实现了高效的靶向给药。研究者将小球藻(Chlorella，Ch.)细胞作为一种生物模板，依次进行Fe3O4沉积、抗癌药物阿霉素(DOX)装载，实现磁性复合微机器人单元的制备。利用磁偶极作用，微机器人单元通过诱导自组装作用重构成链状的复合多聚体微机器人(BMMs)，如微小的二聚体、三聚体等。基于面投影微立体光刻(PμSL)技术设计了哑铃形的微流控通道，用于进行BMMs的体外靶向给药试验(图1)。图1，BMMs的制备和靶向给药示意图。图2，自组装BMMs的驱动性能。图3，BMMs的生物相容性和化疗性能。图4，BMMs的体外靶向给药试验。BMMs具有两种不同的运动模式，包括动态磁场下的旋转和垂直旋转磁场下的翻滚；运动速度的测量以及精确定位的实现表明BMMs具有优异的驱动能力(图2)。BMMs还表现出良好的生物相容性、高效的DOX装载能力、pH触发释药能力以及显著的化疗效果(图3)。另外，采用PμSL(nanoArch S140, 摩方精密)技术结合PDMS倒模技术制备了哑铃形微流控通道，在该通道内，利用磁场驱动实现了BMMs对HeLa癌细胞的靶向给药。结果表明BMMs可以实现精准靶向给药，并对抗肿瘤治疗具有良好的疗效。此研究在靶向抗癌治疗方面具有巨大的应用潜力。该研究成果，以“Magnetic Biohybrid Microrobot Multimers Based on Chlorella Cells for Enhanced Targeted Drug Delivery”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

p 　　最近，一则“我国科学家发现小球藻‘吃’烟气中的氮氧化物和二氧化碳”的消息引起了很多人的好奇。 /p p 　　小球藻是什么?它“吃”下氮氧化物和二氧化碳又变成什么? /p p 　　首次证明了“生物减排”可行性 /p p 　　近年来大气雾霾严重影响了人民群众的健康与生活，氮氧化物是酸雨与雾霾的主要诱因。我国2016年氮氧化物排放总量高达23兆吨，位居世界第一。 /p p 　　消除氮氧化物的技术叫“脱硝”，由于氮氧化物能跟水反应生成硝酸根、亚硝酸根，正好是微藻可利用的氮营养，所以通过微藻培养可以消除氮氧化物污染，发展新型生物脱硝技术。由此获得的微藻生物质副产品则可以作为蛋白、油料的来源，满足水产饲料、生物能源等行业的原料需求。 /p p 　　微藻生物量中碳和氮元素含量分别占50%和10%左右。微藻是地球上将二氧化碳与无机氮转化为有机物效率最高的一种光合微生物，被誉为是由阳光驱动的高效“生物工厂”。 /p p 　　可不可以将这座“生物工厂”装进电厂，让微藻“吃”下工业烟气中的氮氧化物和二氧化碳，实现碳减排并降低环境污染，同时又可以生产出生物能源的原料和高附加值产品，实现“一石双鸟”? /p p 　　在国外从事了8年藻类生物学研究的王强，作为中国科学院水生生物研究所引进“百人计划”研究员，2010年7月回国组建微藻研究团队，开始投入这项研究。 /p p 　　2014年，首篇论文率先发表在国际环境学领域顶级期刊《环境科技》上。此项研究被认为在国际上“首次证明了微藻用于工业污染物减排的同时生产高附加值产品的可行性”。 /p p 　　闯过一道道工业实验难关 /p p 　　7年时间，王强团队把设想逐步变成了工业的可行性，这中间他们走过了艰难的历程。 /p p 　　首先是藻种问题。在繁多的藻类中，什么藻种“吃的多，又产的多”? /p p 　　小球藻是一种球形单细胞淡水藻类，直径3—8微米，繁殖率超强。王强说：“小球藻最快2个小时可以繁殖一代，也就是说它的生物量两个小时可以翻一翻，生长快工作效率自然也高。” /p p 　　经过不断地筛选，最终获得的小球藻比常规小球藻油脂和生物量生产率分别提高了39%和35%，脱硝率可达96%以上。 /p

近日，山西大学贾锁堂教授和肖连团教授带领的团队与山西医科大学李思进教授、武志芳教授开展合作，基于单分子相干显微技术在细胞的量子相干可视化研究中取得重要进展。研究成果以“Visualizing Quantum Coherence Based on Single-Molecule Coherent Modulation Microscopy”为题于2021年2月26日发表于《纳米快报》(Nano Letters, 21, 1477, 2021)。论文第一作者为山西大学博士生周海涛(现已入职山西医科大学，分子影像山西省重点实验室)，通讯作者为山西大学秦成兵教授、肖连团教授，山西医科大学武志芳教授、李思进教授。显微技术是人类探索微观世界的有力工具，可以帮助我们了解生命的起源和发展过程。随着人类观测世界尺度的不断缩小，已经发现了许多新奇的量子现象。例如研究表明绿色植物光合作用主要是与单个光俘获复合体的量子相干机制密切相关。在这一过程中，微环境在维持系统量子相干稳定性方面起着至关重要的作用，有助于光俘获复合体在生理环境下保持长期稳定的量子相干特性。一些其他的生理过程，包括新陈代谢(例如呼吸过程)和细胞癌变也被证实与细胞的量子相干机制密切相关。对这些细胞内量子相干机制和途径的研究将有助于揭示细胞的生理过程和疾病的发病机制。图 (a)小球藻的传统荧光成像与(c)量子相干成像随观测时间的变化行为。(b)与(d)分别是相邻传统荧光成像与量子相干成像的差减效果。为了提高对比度，(a,c)两幅图均通过其最大值进行了归一化。单分子荧光显微技术不仅克服了系综平均效应，而且对局部微环境具有很高的灵敏度，是研究生物系统量子相干效应的有效方法之一。然而，荧光自发辐射过程中损失了单分子的相干信息，利用荧光显微技术研究单分子相干特性需要将量子相干信息转化为单分子的激发态布居几率。肖连团教授研究团队长期从事单分子荧光显微成像与量子信息处理研究，近年来基于量子光场统计特性，在单分子水平上获得了单个光敏化单元产生单线态氧的实时变化特征(The Journal of Physical Chemistry Letters,9, 5207, 2018)；发展了量子相干调制增强单分子显微成像的新原理与新技术(The Journal of Physical Chemistry Letters, 10, 223, 2019)；基于单分子量子相干研究了单分子与二维材料以及共轭聚合物单分子体系中的能量转移过程(Journal of Physical Chemistry Letters,10, 2849, 2019)。在这些工作的基础上，通过结合单分子显微和超快光谱的优势，引入调制解调技术，利用相对相位调制的激光脉冲对制备与操控单分子相干叠加态，该团队实现了对单分子极微弱量子相干信息的有效测量。通过定义量子相干可视度(coherent visibility)来消除单分子偶极取向的影响，并以相干可视度为成像物理量，获得了基于量子相干调制的单分子显微成像。基于这种方法，该团队研究了标记染料分子的小球藻的传统荧光成像与量子相干显微成像效果，如图所示。研究结果表明：1).传统荧光成像受小球藻强自发荧光的影响，无法体现小球藻内部结构；而量子相干成像可以抑制小球藻自发荧光的影响，显现小球藻内部结构；2).量子相干成像表现出新奇的振荡行为，反映了小球藻呼吸作用等生理行为对单分子退相干行为的影响。该研究成果为精准医学、肿瘤诊断及其治疗提供了一种新的技术手段。该项目受到国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金重大仪器研制项目、“新型光场调控物理及应用”重大研究计划、山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室、极端光学省部共建协同创新中心和面上项目等资助。论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c04626