文章导读

近日，南开大学有机新物质创造前沿科学中心庞代文教授团队以“Live-cell synthesis of biocompatible quantum dots”为题在《Nature Protocols》期刊上发表论文，南开大学有机新物质创造前沿科学中心为论文通讯单位。庞代文团队提出了一种“人为调控时空耦合活细胞合成（Artificially Regulated Space–Time-Coupled Live-Cell Synthesis, ARLCS）”的方法（Natl. Sci. Rev., 2022, 9, nwab162; Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2359–2364），通过向活细胞提供特定的化学物质，利用细胞内的代谢途径合成荧光半导体量子点。该方法不需要使用有毒有机溶剂和极端反应条件，利用细胞自身的代谢途径在温和的生理条件下进行量子点的合成。

量子点具有优异的光物理化学性质，在生物医学成像、检测、光电显示等领域具有广阔的应用前景。然而，在有机溶剂中合成的量子点生物相容性较差，限制了其在生物医学领域的应用。为了解决这一难题，庞代文教授团队开发了一种通过时间和空间上精准耦合一系列细胞内代谢途径，在活细胞中合成量子点的方法，并在酿酒酵母、金黄色葡萄球菌、MCF-7细胞和MDCK细胞中验证了该方法。细胞内合成的量子点具有良好的生物相容性，使其适用于细胞和细胞衍生囊泡的直接原位标记。在此基础上，庞代文教授团队发展了一种无细胞水相合成系统（准生物合成体系），包含酶、电解质、多肽和辅酶等，来模拟活细胞内合成条件，并成功合成了生物相容性超小量子点。由于准生物体系更为简单，合成得到的量子点比在活细胞中合成的量子点更易于纯化和表征。活细胞合成的量子点可用于生物成像和微囊泡检测，而准生物合成的量子点则适用于生物检测、生物标记和实时成像等。

主要内容

1. 活细胞合成量子点：根据具体应用需求选择合适的细胞系（如酿酒酵母、金黄色葡萄球菌、MCF-7细胞等）。优化条件以有效耦合细胞内代谢途径，从而合成具有所需荧光性质的量子点。

2. 原位应用：将合成量子点的荧光细胞用于各种应用，例如收集量子点标记的微囊泡（MVs），用于生物成像和微囊泡检测。

3. 准生物合成：在模拟细胞内环境的准生物体系中合成量子点，通过调节反应条件，调控量子点的大小和性质。

4.功能化和高级应用：对准生物合成的量子点进行功能化，以满足生物检测、生物标记和实时成像等应用需求。

【活细胞合成量子点】

图1 人工调控时空耦合活细胞合成量子点代谢途径示意图

图中展示了活细胞合成量子点（QDs）的代谢机制。在细胞内，Na2SeO3被还原为低价态的硒，与镉离子（Cd2+）结合形成CdSe量子点。这一过程涉及谷胱甘肽（GSH）代谢途径和硫氧还蛋白（TRX）代谢途径，通过还原型谷胱甘肽和NADPH的参与，将硒和镉离子转化为活性前驱体，最终在细胞内合成量子点。图中还展示了量子点合成的具体化学反应步骤，揭示了细胞内代谢途径如何被用于合成具有生物相容性的量子点。

图2 活细胞合成量子点的工作流程示意图

【准生物合成量子点】

图 3 准生物合成量子点的工作流程示意图

总结与展望

人为调控时空耦合活细胞合成策略突破了传统化学合成对有机溶剂和极端条件的依赖，直接合成具有良好生物相容性的量子点，为生物医学应用提供了更安全、更高效的纳米材料制备方案。其与合成生物学、代谢工程的深度交叉有望推动纳米医学与生物技术的革新。

文献信息

Liu, A. A., Cui, R., Zong, X., Jia, J., Hu, Y., Zhao, J. Y., Pang, D. W., Live-cell synthesis of biocompatible quantum dots. Nat. Protoc.(2025). https://doi.org/10.1038/s41596-024-01133-5