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澳大張宣軍、黃冠豪團隊/南科大吳長鋒團隊 Nat. Commun.: 圓偏振發光材料制備新策略 - 細菌發酵

2025-02-03 來源：高分子科技

手性現象在自然界中無處不在，從宏觀的宇宙星云和大氣氣旋，到微觀的蝸牛貝殼和牽牛花藤蔓，甚至在構成生命體的核心分子中，都能觀察到手性的存在。圓偏振光（CPL）作為一種光手性現象，在信息加密、信息存儲和3D顯示等領域具有廣泛的應用前景。目前，CPL材料的制備主要依賴于化學和物理策略，包括手性熒光分子的合成、分子組裝、金屬有機框架（MOF）、共價有機框架（COF）、液晶材料和纖維素材料等方法。化學合成途徑通常涉及復雜冗長的步驟和手性拆分過程，而分子組裝途徑則通過分子間弱相互作用將發光分子置于手性環境中，但這種方法可能導致產物穩定性較差。相比之下，生物合成途徑在生物酶的催化下，具有自發、綠色和高效的特點。由于生物體內富含L-氨基酸、D-葡萄糖等手性分子，生物合成在制備CPL材料方面具有獨特優勢。然而，由于缺乏生物活性發光前體和合適的生物反應器，CPL材料的可控生物合成仍面臨諸多挑戰。此外，生物活性發光前體共價鍵嵌入的確認方法也有待進一步發展。

受微生物輔助不對稱生物合成的啟發，澳門大學張宣軍、黃冠豪團隊與南方科技大學吳長鋒團隊合作，開發了一種通過原位細菌發酵制備CPL活性材料的新方法。研究團隊利用Komagataeibacter sucrofermentans細菌的原位發酵，成功制備了一系列具有綠色、橙色、紅色和近紅外CPL的細菌纖維素膜，并開發了一種基于纖維素酶催化的生物降解方法，用于確認生物活性發光前體通過共價鍵嵌入細菌纖維素中。該過程通過細菌內的原位糖苷化反應將糖基化分子共價摻雜到手性細菌纖維素中，實現了糖基化分子圓偏振發光從無到有、從小到大的突破，最大不對稱因子提升了39倍。基于這種雜化細菌纖維素膜，研究團隊還實現了信息加密、信息存儲以及Fe³⁺的熒光-CPL雙通道檢測。該研究不僅為CPL材料的制備提供了新思路，還拓寬了細菌纖維素雜化材料的應用領域。相關成果以“Microbe-assisted fabrication of circularly polarized luminescent bacterial cellulosic hybrids”為題發表在《Nature Communications》上。

研究團隊首先設計并合成了一系列具有不同熒光顏色的糖基化分子作為細菌發酵的活性前體，并評估了這些分子的CPL性質。研究發現，盡管S1-S4分子基于D-葡萄糖衍生物，但它們并未表現出CPL活性。然而，當引入剛性的手性聯萘結構后，A1-A3分子表現出CPL活性，盡管其不對稱因子較小，僅為10^-4到10^-3量級。為了進一步增強CPL性質，研究團隊將這些發光分子與細菌發酵葡萄糖培養基進行共聚。通過對雜化細菌纖維素膜的CPL性質評估，研究發現，原本無CPL活性的S1-S4分子在細菌發酵后表現出CPL活性，而A1-A3分子的不對稱因子也得到了顯著提升。

圖1 |細菌發酵形成CPL活性細菌纖維素的示意圖。a 細菌纖維素通過細菌中的纖維素合酶催化的β-1,4-糖苷反應原位生成。b原位細菌發酵引發無CPL活性的糖基化分子表現出CPL。c 弱不對稱因子的的糖基化分子在原位細菌發酵后其CPL性能得到增強。

此外，研究團隊開發了一種基于纖維素酶催化的生物降解方法，用于確認生物活性發光前體通過共價鍵嵌入細菌纖維素中，而非簡單吸附在纖維素膜表面。以S2-BC和S3-BC為例，經過纖維素酶水解后，質譜檢測到了S2和S3雜化的葡萄糖和寡糖，證實了糖基化染料通過共價鍵穩定地插入細菌纖維素中。

圖2 | 細菌共聚葡萄糖和糖基染料過程中共價鍵形成的確認。a 通過纖維素酶催化的生物降解過程（以S3-BC為例）示意圖。b S2-BC水解產物的熒光光譜（左）和代表性質譜分析（右）。c S3-BC水解產物的熒光光譜（左）和代表性質譜分析（右）。

有趣的是，研究團隊發現，糖基化分子S4可通過Fe³⁺催化的碳碳雙鍵斷裂實現Fe³⁺的特異性檢測，但檢測產物并未表現出CPL活性，即S4無法通過CPL通道檢測Fe³⁺，限制了其潛在的應用。然而，聚合后的雜化細菌纖維素S4-BC不僅保留了S4的近紅外熒光發射特性，還表現出CPL活性，這為Fe³⁺的熒光-CPL雙通道檢測奠定了基礎。研究發現，直接使用S4-BC檢測Fe³⁺時效率較低，可能是由于Fe³⁺吸附在纖維素膜表面，限制了其與檢測分子的碰撞。然而，令研究團隊驚喜的是，420 nm LED光可顯著加速檢測過程。通過電子順磁共振（EPR）實驗，研究團隊檢測到了僅在Fe³⁺和纖維素膜共存時產生的活性氧（ROS），推測細菌纖維素中的羥基可能有助于形成Fe³⁺-細菌纖維素中間體，在藍光照射下釋放自由基，從而增強碳碳雙鍵的氧化斷裂。基于這些實驗結果，研究團隊成功實現了Fe³⁺的CPL通道檢測，進而實現了熒光-CPL雙通道檢測。

圖3 | 基于S4-BC的熒光和圓偏振發光雙通道響應Fe3+離子。a S4-BC對Fe3+離子進行熒光和圓偏振發光（CPL）雙通道響應過程的示意圖。b 加入Fe3+離子后S4-BC的熒光變化。c 在420 nm LED輔助下加入Fe3+離子后S4-BC的熒光變化。d S4-BC在Milli-Q水中暴露于420 nm LED后的熒光變化。e-g S4-BC在Fe3+溶液中受420 nm光照或不受光照時的電子順磁共振（EPR）結果：超氧陰離子自由基（?O??，e）、單線態氧（1O?，f）和羥基自由基（?OH，g）。h-j S4-BC在Milli-Q水中的圓偏振發光（CPL）表現。k-m S4-BC在420 nm LED輔助下與Fe³⁺離子反應后的圓偏振發光（CPL）表現。

此外，研究團隊還設計并合成了具有光開關性質的糖基化分子PS-Glc，并通過細菌發酵制備了具有光開關性質的雜化細菌纖維素膜PS-BC，該材料可用于不同類型的信息存儲。

圖4 | 基于光開關細菌纖維素膜的信息加密應用。a 光照下PS-Glc和PS-BC的光開關特性機制以及微生物輔助制備PS-BC的過程。b 不同信息存儲的光刻（使用254 nm手持紫外燈）和光擦除（使用590 nm LED）。c QR碼信息加密。d 8位ASCII數據存儲。流程圖（左）顯示了讀取方法：綠色熒光位置表示“1”，而非熒光位置表示“0”。所有信息均在365 nm手持紫外燈下讀取。

綜上所述，研究團隊通過糖基化發光分子的原位細菌共聚，開發了一種高效的生物合成策略，用于制備CPL活性材料，展現了良好的普適性。同時，研究團隊發展了一種直接表征細菌纖維素雜合體的方法，確認了在細菌共聚過程中葡萄糖與糖基化發光分子之間形成了共價鍵。更重要的是，基于雜化細菌纖維素膜，研究團隊實現了信息存儲、加密以及Fe³⁺的雙通道檢測。該研究不僅發展了制備CPL活性材料的生物合成策略，還拓寬了細菌纖維素膜的應用范圍。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56253-7

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（責任編輯：xu）

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