武汉大学化学与分子科学学院教授庞代文课题组与该校生命科学院教授谢志雄课题组、化学院教授胡斌课题组和北京理工大学副教授谢海燕课题组合作，运用一种新颖的策略，在纳米生物合成领域得到了一个奇妙的研究结果：利用活酵母细胞作为反应器，在非常温和的条件下成功地合成出尺寸可控、闪闪发光的CdSe量子点。这一成果已发表在国际著名期刊《先进功能材料》上(DOI：10.1002/adfm.200801492)。
不可能的相遇
这种大胆的尝试突破了惯有的思维模式。通常采用生物的方法合成纳米材料时，主要是简单地利用某种生物模板或者生物本身的某一条代谢途径来做，而该研究在利用生物学方法和体系解决化学领域问题上取得了突破。
“我们的思路是，在时间和空间上去耦合细胞内不相关的两条生化反应途径，然后让它们在恰当的‘时间’和合适的‘场所’发生我们所期望的化学反应，最后得到一个比较理想的结果。”近日，庞代文在接受《科学时报》记者采访时解释说。
为什么选择酵母作为“反应器”？庞代文的博士生崔然给《科学时报》的解答是：“生物体，主要是细菌、
真菌和藻类等，能够在室温环境下，在细胞的某些特定区域合成出不同种类和形貌的纳米材料。而酵母是一种能够用于生物合成的理想模式菌，有着清楚的研究背景，可以快速精确地对周围环境的变化产生各种应答。Na2SeO3的代谢以及CdCl2的解毒过程是酵母细胞内固有的生化反应途径，而这两个原本不相关的生理过程正好可以提供合成CdSe量子点所必需的合适价态的原料，当‘迫使’它们在同一时间同一地点相遇，就有可能得到我们所期待的产物。”
量子点(Quantum dots，QDs)是一种三维受限的零维无机半导体纳米晶体。与传统的有机荧光染料和荧光蛋白相比，量子点的发光颜色由粒径和(或)组成所决定，具有激发光谱宽、发射光谱窄而对称、荧光量子产率高、光稳定性好等优点，有助于研究人员直观地以肉眼观察并判断合成的中间过程和最终的合成效果。因此，研究人员选择量子点作为目标产物，以展示他们的新生物合成策略的可行性。
按照研究人员提出的时空耦合的策略，的确看到了酵母产生的荧光，这种荧光来自于酵母细胞内生成的CdSe量子点。而且，无论从产物的单分散性、粒径的控制还是荧光性质等方面都具有以往的生物合成方法得到的材料所无法比拟的性质。“就以往的发光纳米材料生物合成方法而言，其产物的性质无法与现有的化学合成方法相比。我们现在成功地攻克了这个难题，不仅将繁琐危险的化学操作演变为仅仅‘喂养’细胞即可获得闪闪发光的CdSe纳米晶体，并且能方便可控地获得绿色、黄色、红色等不同发光颜色的CdSe量子点。”庞代文说。
可望开辟一个新方向
近年来，以CdSe为代表的量子点因其优异的发光性质，在荧光标记、激光、发光二极管、太阳能电池等前沿领域有着十分广泛的应用前景。CdSe量子点的合成技术一直是当前纳米科学与技术研究的热点，过去的十几年，科学家们对CdSe的合成进行了大量的研究，报道了十几种合成路线。但是，在目前广泛采用的CdSe合成路线中，使用的原料毒性大、成本昂贵，因此有必要探索、开发出“绿色”、廉价,并且可以大量合成CdSe量子点的新路线，这对于当前科学研究、工业应用都是迫切需要的。
新方法非常符合潮流——“绿色”技术，其整个反应过程是在30℃下进行的，避免了所有易燃、易爆、有毒的有机试剂，并且CdSe是在活的酵母细胞内得到的，这说明这种方法对于细胞的毒性相对较小，生物相容性较好。除“绿色”外，还能实现对合成产物的性能控制。相对于以往的生物合成方法而言，课题组对合成过程中涉及的一些关键的中间体也研究得比较清楚了。他们对这一新方法充满了信心，目前正进一步努力，从不同角度完善其原理，并积极寻找应用的突破口，开辟一个新方向，即从生物、化学和仿生三个方面找到一个共同点，也就是在三者中架起一座桥梁。
“我希望你能谈谈在活酵母细胞内尺寸及荧光发射波长可控地合成CdSe量子点，这听起来非同寻常，简直难以想象。我认为，很多人会像我一样，对您的这个新策略既感到迷惑不解又充满兴趣。”日本京都大学教授楠见明弘(Akihiro Kusumi)今年1月底邀请庞代文去他的实验室作演讲前发了这封邮件。在听完庞代文的演讲后，楠见明弘更加感兴趣，并在几天之后作出了一个决定，于2月7日发来另外一封邮件提出与庞代文的实验室合作。也许楠见明弘已经以其丰富的学识和敏锐的眼光，意识到这种时空耦合细胞内不相关的固有生化反应的思路和策略的重要意义。
学科交叉和群体智慧的结晶
“我们经常说‘学科交叉’，但是化学、生物学本身到底怎么样，如何交叉？可以说，我们现在是找到了一个交叉的切入点，或者说一个小小的入口。”庞代文说。
该研究成果得益于国家自然科学基金委“新型生物医学探针技术基础及应用”创新研究群体项目和国家“973”计划项目的支持，充分体现了多学科交叉和团队合作的优势。
创新研究群体科学基金是国家自然科学基金委员会资助的人才项目中的重要部分。为稳定地支持基础科学的前沿研究，培养和造就具有创新能力的人才和群体，国家自然科学基金委员会于2000年开始试行设立创新研究群体科学基金。该基金资助对象为国内以优秀科学家为
学术带头人、中青年科学家为骨干的研究群体，围绕某一重要研究方向在国内进行的基础研究和应用基础研究。
“我们新策略的成功实现，肯定不是偶然的，在化学与生物学交叉方向我们已经做了17年。最重要的是，我们多个课题组长期以来一直合作，而且各有专攻，比如，本工作合作者中有擅长
微生物遗传学的谢志雄教授、专攻元素形态分析的胡斌教授和专长量子点的谢海燕副教授等课题组，所以说我们的初步成功是学科交叉、群体力量和智慧的结晶。”庞代文说。
作者：
2009-8-13