基于细菌表面展示技术的功能性无机材料合成研究

摘要

细菌表面展示技术，可以将特定外源功能蛋白展示在细菌表面，进而将细菌微生物作为一个微型反应器。表面展示的功能蛋白具有高活性、易于操作等优点，在体外催化、全细胞吸附、重组细菌疫苗、抗原表位分析、环境修复等多个领域具有广泛的应用。 冰晶核蛋白（INP）是细菌表面展示系统中一种常用高效的运载蛋白，INP不仅能在多种细胞中稳定地表达，而且能够有效地转运出去并通过N末端结构域锚定在细胞外膜上。此外INP能够运载高分子量蛋白，且运载效率较高；INP转运的乘客蛋白能在膜上正确折叠，并维持较高的蛋白活性。 细菌表面展示技术也可作为细胞壳化的一个重要手段。通过在细菌表面展示可以诱导矿化的蛋白质，能够在单细胞生物外人工构建外壳。天然Silaffin和Silicatein都能够有效的从外环境中聚集二氧化硅，形成精细的硅质结构。此外，Silicatein也能够诱导催化某些金属氧化物的沉积，如二氧化钛、二氧化镓等。 本文通过分子生物学技术，利用INP的表面展示功能，将两种硅蛋白（Silicatein、Silaffin）展示在大肠杆菌（E.coli）表面，并进行矿化研究，本文具体研究内容如下： （1）利用INP在E.coli表面，展示两种硅蛋白Silaffin和Silicatein，用异丙基-β-D-硫代吡喃半乳糖苷（IPTG）诱导重组融合蛋白（INPSiliSila）表达，并优化表达条件。经聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）分析，可以看出INPSiliSila在包涵体和细胞膜上都有分布，可得出部分重组蛋白能够分泌出去，并通过INP锚定在细胞膜上。 （2）对表面展示硅蛋白的E.coli进行硅化研究。通过形貌结构表征，可以得出，表面展示的INPSiliSila能够有效地沉积二氧化硅在E.coli表面，硅化后细菌的形态维持得更完整。此外，在TEOS体系中，从矿化后细菌的稳定性测定结果可以得出，INPSiliSila组细菌存活寿命更长，热稳定性也更好。这些都表明了硅质矿化壳对于E.coli具有一定的保护作用。 （3）对表面展示硅蛋白的E.coli进行钛化研究。通过表征可以得出INPSiliSila能够有效地沉积二氧化钛，且焙烧前后INPSiliSila组细胞完整性更好，说明钛化壳有利于细菌的形态维持。此外，TiBALDH体系中，缓冲液体系和矿化时间对于晶型也有影响：PBS缓冲体系在矿化初期煅烧，更易生成TiP2O7，随着矿化时间的延长，NaTi2(PO4)3更易生成；TBS缓冲体系在矿化的初期煅烧，更易生成NaTi2(PO4)3，随着矿化时间的延长，锐钛矿（Anatase）更易生成。 （4）以展示INPSiliSila的细菌作为二氧化钛材料合成的模板。本文研究制备出了短杆状、颗粒尺寸较小的均一的二氧化钛锐钛矿材料。通过测试表征证实是一种中空介孔二氧化钛锐钛矿，将其作为锂电池负极研究电池性能，显示了较高的充电和放电比容量和良好的循环稳定性。

目录

声明

第1章引言

1.1 细菌表面展示

1.3 功能性无机材料

1.4 研究意义、内容和策略

第2章 细菌表面展示体系的构建

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 序列设计

2.4 重组质粒的构建

2.5 重组蛋白的诱导表达及细胞内定位

2.6 重组蛋白的诱导表达条件的优化

2.7 本章小结

第3章 基于细菌表面展示的二氧化硅无机功能材料合成研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 硅蛋白催化四甲氧基硅烷前体

3.4 硅蛋白催化四乙氧基硅烷前体

3.5 本章小结

第4章 基于细菌表面展示的二氧化钛无机功能材料合成研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 硅蛋白催化硫酸钛前体

4.4 硅蛋白催化二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛前体

4.5 本章小结

第5章 基于细菌表面展示的二氧化钛无机功能材料的应用

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 二氧化钛材料合成的条件优化

5.4 二氧化钛材料的应用

5.5本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总 结

6.2 展 望

致谢

参考文献

攻读硕士期间获得与学位论文相关的科研成果