محققان نشان دادند که سنتز نانوبلورها با جفت کردن هدفمند و دقیق مجموعه‌ای از واکنش‌های ردوکس درون سلولی و مسیرهای متابولیکی، در یک توالی مکانی و زمانی مناسب در سلول‌های زنده امکان‌پذیر است.
سنتز نانوبلورها با واکنش‌های ردوکس درون سلولی و مسیرهای متابولیکی
در طی یک دهه گذشته سلول به‌عنوان یک ابزار قدرتمند برای انجام وظایف غیرمعمول از طریق برخی دستکاری‌ها و تنظیمات مصنوعی مورد استفاده قرار گرفته است. با توجه به واسطه‌های واکنشی متعدد تولید شده در فرآیندهای متابولیک پیچیده و تعادل ردوکس ظریف که از طریق هموستاز سلولی پشتیبانی می‌شود، سلول می‌تواند به‌عنوان یک کارخانه شیمیایی برای محققان عمل کند. با این حال، هدایت این واکنش‌ها و مسیرها برای سنتز محصولات مورد نظر همچنان چالش برانگیز است، زیرا آن‌ها به طور طبیعی در ابعاد مکانی و زمانی مختلف در سلول وجود دارند. گروه پروفسور دای ون پانگ مفهومی به نام «space-time coupled live-cell synthesis of nanocrystals» را پیشنهاد کرد، یعنی سنتز نانوبلورها با جفت کردن هدفمند و دقیق مجموعه‌ای از واکنش‌های ردوکس درون سلولی و مسیرهای متابولیکی، در یک توالی مکانی و زمانی مناسب در سلول‌های زنده.
به‌عنوان مثال با سلول‌های مخمر، نقاط کوانتومی CdSe نیمه هادی فلورسنت (QDs) با طول موج نشر قابل تنظیم را می‌توان با جفت کردن متابولیسم احیا درون سلولی سلنیت سدیم (Na2SeO3) و با سم‌زدایی یون کادمیوم (Cd2+) سنتز کرد. با دستکاری مناسب مسیرهای متابولیک گلوتاتیون، بازده QDs را می‌توان تا حد زیادی افزایش داد، که نشان‌دهنده نقش حیاتی گلوتاتیون در تولید نانوبلورهای CdSe است. این راهبرد جذاب برای سنتز در ادامه به سلول‌های باکتریایی و سلول‌های پستانداران نیز کشید شد. به طور قابل توجهی، میکرووزیکول‌های مشتق از سلول نیز می‌توانند به طور موثر با QDهای سنتز شده درون سلولی برچسب‌گذاری شوند. با توجه به خواص فلورسنت برتر، ضریب انقراض بالا ذاتی و زیست سازگاری، QDهای سنتز شده درون سلولی و سلول‌های حاوی QD با موفقیت به نانوزیست‌پیمایشگرهایی برای تشخیص زیستی تبدیل شده‌اند.
با الهام از مکانیسم‌های ذکر شده در بالا، سیستم‌های شبه بیوسنتز بدون سلول که واکنش‌های درون سلولی را تقلید می‌کنند، برای ساخت انواع نانوبلورها تحت شرایط ملایم، مانند نانوذرات فلزات نجیب، نانوذرات آلیاژی، QDهای فلورسنت و عامل‌دار و سایر مواد معدنی غیرآلی ارائه شده‌اند.
سلول زنده، به عنوان مخزن واکنش‌های بیوشیمیایی، می‌تواند به عنوان یک کارخانه مواد شیمیایی شگفت‌انگیز عمل کند که در آن تشکیل پیش‌ماده، هسته‌زایی و رشد نانوبلورها، و مونتاژ می‌تواند با برنامه‌ریزی مصنوعی به طور دقیق انجام شود. پروفسور پنگ می‌گوید: «ما امیدواریم که محققان بیشتری را برای کشف راهبردها و مکانیسم‌های جدید برای تولید بلور‌های چند منظوره و حتی ساختارهای هترونانو پیچیده ترغیب کنیم. مفهومی که ما پیشنهاد کردیم، محققان را قادر می‌سازد تا از پتانسیل‌های پیش‌بینی نشده سلول‌های زنده بهتر بهره‌برداری کنند و دریچه جدیدی را برای حوزه زیست‌شناسی مصنوعی بگشایند و مطالعات بین‌رشته‌ای زیست‌شناسی، شیمی و پزشکی را روشن کنند.»
