莱斯大学研发光控生物催化剂控制生化反应

青岛生物能源与过程研究所,2013-01-10

自从爱迪生发明灯泡以来，热一直是光的副产品。目前莱斯大学（Rice University）的研究人员正研究如何在纳米尺度上将光转化为热，以远程触发所需要的生化反应。研究成果发布在美国化学学会纳米杂志上，研究中使用的材料来自一种嗜热菌，该细菌在高温条件下生长繁殖，而在低温条件下停止生长。

莱斯大学Halas实验室的研究项目中，将嗜热菌的酶与等离子金纳米粒子结合，金纳米粒子在受到近红外光照射时会发热，激活连接的酶，从而使酶发挥活性功能。在需要的时候仅仅加热表面的纳米粒子，而整体环境保持适合的温度，这使一些化学反应可以在较低的温度下进行。研究中的酶是由嗜热菌泉生古细菌（Aeropyrum pernix.）中分离得到的葡萄糖激酶，泉生古细菌是1976年在日本外海的水下热泉附近筛选到的微生物，可耐176华氏度的高温。分离到的葡萄糖激酶的作用是分解葡萄糖，并且酶可以反复加热和冷却。试验中，研究人员对葡萄糖激酶进行了克隆、纯化等操作，使其与到金纳米粒子连接，然后将酶-纳米粒子复合体悬浮于溶液中，测试对葡萄糖的降解效果，结果发现复合体在176华氏度的条件下酶活性很高。然后研究人员将复合体装入凝胶状珠粒的海藻酸钙胶囊中，胶囊有助于保持复合体的热量，并且结构多孔，可以使酶与周围溶液充分接触，研究发现，在持续大量加热时，因为珠粒胶囊对酶的包裹太紧，酶的活力迅速下降。但是当胶囊封装的酶-金纳米粒子复合物用近红外光持续照射时，酶活性比加热处理时要高许多，并且复合物可以反复使用一周左右。

该技术在需要加热或者远程控制触发的工业中具有巨大的发展潜力。在化学工业中，常常需要更高效、绿色和可持续的催化材料降低反应的成本，该技术非常节能，仅需要一个高效节能的灯泡就可以替代传统方法中的大型锅炉。技术的核心部分是一个宽10纳米长30纳米的金纳米棒，加热时，用激光中的近红外光击中金纳米棒，光激发金纳米棒的表面等离子体，从而产生热能。莱斯大学Halas实验室的一项重要技术是开创性的使用金纳米壳材料通过从内部加热靶向肿瘤细胞治疗癌症，该技术目前正处于人体试验阶段。另外该技术还可以用于许多其他的用途，如生物质燃料生产过程中木质纤维素的降解、降低糖尿病人血糖浓度等。

文章见:Deep-sea microbes that thrive in high temperatures are key to light-activated catalysis