噬菌体在纳米技术中的应用

  单噬菌体病毒粒子是一种胶体颗粒，通常具有偶极矩。因此，噬菌体被用作完美的单分散系统来研究各种物理化学现象(例如，在复杂流体中的传输或沉积)，或在材料科学中(例如，作为支架)。与细菌结合并杀死细菌的自然能力是利用噬菌体检测细菌的起点。噬菌体展示是一种连接表型和基因的方法，允许选择与给定目标具有亲和力的特定多肽或蛋白质，使噬菌体的大量应用成为可能。

  1、噬菌体展示和基于噬菌体的递送系统

  利用基因修饰噬菌体的可能性，通过与适当的基因产物融合，在表面展示多肽、蛋白质或抗体。展示具有不同插入到靶材料上的噬菌体允许筛选大型文库，以寻找与靶相互作用的多肽甚至蛋白质。生物扫描允许选择与给定目标具有亲和力的特定多肽或蛋白质(如图1)。生物扫描包括四个主要步骤：(1)噬菌体展示文库的制备，(2)捕获步骤，其中展示与目标具有亲和力的序列与其结合，(3)洗涤步骤，其去除未结合的病毒粒子，以及(4)洗脱步骤，其允许收集具有特定亲和力的噬菌体。

  图1基于噬菌体的生物扫描

  噬菌体展示方法的发现极大地拓宽了噬菌体的可能用途。在噬菌体展示中，大型文库与编码外壳蛋白的基因的融合允许基因组和表型之间的直接关联。生物扫描允许选择与给定目标具有亲和力的特定多肽或蛋白质。这些选定的多肽可以单独使用或提供具有附加功能的噬菌体病毒粒子。噬菌体展示在新药、疫苗的发展中至关重要，在材料科学和物理化学中也是如此。

  2、材料科学中的噬菌体

  纳米病毒结构是单分散的，是与先前选择的甚至是基因工程结构的统一拷贝的快速倍增，是应用噬菌体作为建筑组件或用于生产新型生物/纳米材料的模板/支架的理想选择。单个噬菌体的物理化学性质决定了基于噬菌体的纳米材料的未来用途。噬菌体对温度、溶剂或pH的抵抗力从一种类型到另一种可能有很大差异。在其他例子中，病毒粒子可能受到外部刺激的操纵。通常，给定噬菌体的可用性与衣壳的稳定性直接相关，衣壳可能在最终材料的操作条件下被溶解或变性。材料科学领域最突出的噬菌体相关研究概述见图2。主要的方法有：(1)利用噬菌体捕获和感染细菌的能力，(2)利用病毒粒子易于化学和遗传修饰的优点，以及(3)利用病毒粒子制造支架，后来用于电化学、能量存储和发电应用，用于生产催化剂和组织再生。

  图2 材料科学中的噬菌体

  3、软物质和物理化学中的噬菌体

  噬菌体是定义明确的软材料，大小和结构各不相同，形成胶体悬浮液。分散在溶剂中的小浓度选定噬菌体(例如棒状)的悬浮液具有各向同性，即所有病毒粒子都是随机取向的。然而，随着浓度的增加，噬菌体可以聚集成定向的各向异性相(即液晶相，见图3)。(A)聚合物在低浓度时通常形成随机的螺旋，这些螺旋交错，在重叠浓度以上形成网状结构。然而，噬菌体，尤其是丝状噬菌体，是坚硬的胶体棒。(B)(a)由于耗尽，非吸附聚合物导致棒状颗粒之间产生吸引人的相互作用。(b)由棒状颗粒组成的二维胶体膜的示意图。(c)差示干涉对比显微镜图像，显示由Fd噬菌体形成的胶体膜。(C)(a)显示棒在各向同性、向列相和近晶液相中排列的卡通。(b)差示干涉对比显微镜图像，显示单棒长的近晶层。

  图3 软物质和物理化学中的噬菌体

  噬菌体在纳米科学的各个方面都变得越来越重要。人们可能认为噬菌体只有在需要细菌检测/鉴定的应用中才有用。事实上，噬菌体疗法、生防剂、细菌检测传感器和抗菌材料是为当今世界的重大问题提供解决方案的重要研究领域。然而，噬菌体在纳米技术、物理化学和材料科学中被证明是有用的、单分散的构建块和模板，因为它们具有丰富的形态、健壮性、易于制备和易于修饰。获得诺贝尔奖的噬菌体展示技术引发了大量新的令人兴奋的噬菌体利用实例。

  参考文献：Paczesny J , Bielec K . Application of Bacteriophages in Nanotechnology[J]. Nanomaterials, 2020, 10(10).