納米生物技術可監控病毒感染過程

　　 病毒性疾病嚴重威脅著人類健康，深刻認識和理解病毒感染過程及致病機制是病毒性疾病防治的重要基礎。研究病毒感染過程通常基于熒光標記技術，但是常用的熒光蛋白及傳統熒光染料往往容易發生光漂白，難以長時間動態跟蹤整個感染過程。

　　在“納米研究”國家重大科學研究計劃的支持下，圍繞“量子點標記技術研究病毒侵染過程及宿主應答”項目，來自武漢大學，中國科學院武漢病毒研究所、長春應化所、深圳先進技術研究院，以及北京理工大學等單位的專家，自2011年1月開始開展了有益的探索，并取得了重要進展。

　　據該項目首席科學家、武漢大學化學與分子科學學院教授龐代文介紹，以半導體熒光量子點為代表的性能優異的納米標記材料，可望克服現有熒光標記材料的不足，為實時動態跟蹤病毒感染宿主細胞這一復雜的動態生物學過程提供新途徑。

　　新型納米標簽

　　為了研究病毒感染過程，就需要熒光標記。一般來說，活細胞或活體示蹤要求所用的熒光標記材料在復雜的生物環境中具有良好的穩定性，能產生穩定、可靠的檢測信號，才不會“走丟”或“隱身”。并且，還要求在最大程度上降低對所標記對象的影響，以獲取生命過程的真實信息。

　　“也就是說，雖然身上貼了標簽，但其本人并無察覺，心情依舊，行為如常。既然如此，就要求所選用的標記材料具有盡可能小的尺寸、良好的生物相容性及穩定性，能發出足夠強的示蹤信號。”在龐代文看來，量子點就算得上這一類令人滿意的“標簽”，具有粒徑小（通常可小至幾納米）、亮度高、光穩定性好等獨特性能，且能實現多色同時標記，同時跟蹤多個對象。

　　采用納米標記技術，特別是量子點標記技術對病毒感染宿主過程進行詮釋，將有望克服現有技術的不足，科學詮釋病毒致病機制。但是，如何精確控制材料的性質，制備出尺寸小且性質穩定的量子點，依然是該領域的一大難題。

　　此外，為了降低生物成像中背景信號的干擾、激發光對生物體的光毒性以及增加熒光的穿透深度，理想的標記材料應具有較長的激發波長，熒光發射波長也最好在近紅外區且具有高的熒光強度。

　　基于此，武漢大學研究團隊提出了“在時間和空間上耦合活細胞內并無關聯的生物化學反應途徑”合成納米材料的“時——空耦合”調控合成新策略，利用活酵母細胞成功可控地合成出多色熒光量子點納米標記材料，讓細胞為科學家們做了一件幾乎不可能做到的事。

　　他們將煩瑣危險的化學操作演變為僅僅培養細胞，將通常在約300℃進行的合成演變為在30℃下的活細胞內完成，且不需要任何易燃、易爆、有毒溶劑。進而，他們又提出了“準生物合成”策略，利用細胞外的模擬體系成功合成出多種小粒徑的近紅外量子點，成功地化解了難題。

　　讓病毒亮起來

　　龐代文告訴記者，病毒很小，若要監視其一舉一動非常困難，如果是在復雜的生物背景之下，那更是一片漆黑。而熒光標記能讓病毒亮起來，方便地實現跟蹤。

　　中國科學院武漢病毒研究所研究員肖庚富的團隊制備出均一穩定的發光病毒樣顆粒，并跟蹤了其“感染”細胞的過程。他們還實現了量子點對艾滋病慢病毒（HIV）的標記，也能用量子點定點標記昆蟲病毒內部的結構。

　　由于包膜病毒廣泛存在于自然界且與人類健康密切相關，這一研究受到了很大的關注。而包膜病毒結構較為復雜，通常由包膜、衣殼及核酸等構成。由武漢大學和中國科學院武漢病毒研究所的研究者們進行合作，利用綠色熒光蛋白標記桿狀病毒包膜，核酸分子光開關釕的含氮雜環配合物在病毒復制過程中自然嵌入核酸中標記病毒核酸，成功實現了對病毒包膜和核酸的雙重標記。

　　此外，北京理工大學和中國科學院武漢病毒研究所的專家團隊合作提出順應自然的病毒的溫和標記策略。他們利用細胞中膽堿磷脂自然的生物合成和代謝嵌入機制、病毒從宿主細胞膜獲取磷脂成分形成包膜的生物學特點以及病毒核酸的“復制嵌合”，在病毒自然復制過程中實現了病毒核酸和包膜的雙重標記（雙重標記效率高達85%）。

　　“這將有助于研究人員看到病毒感染過程中更多的行為細節。”龐代文表示，量子點標記技術能讓病毒持續變亮，為監測單個病毒侵染宿主細胞的一舉一動創造了條件。

　　看到病毒感染過程

　　病毒是嚴格寄生的微生物，寄生于宿主并借助宿主細胞完成自身“繁衍”。病毒在細胞中的感染由三個基本過程構成循環，即進入宿主細胞（侵染）、基因組復制/組裝和出胞，并進一步感染其他細胞。

　　該循環是病毒維持繁衍生息的關鍵，而侵染是其中的首要步驟。基于量子點標記，武漢大學團隊獲取了病毒感染過程的實時動態信息，如病毒運動方向、路徑、速率、“擴散”系數等，以及各種運動模式；研究了禽流感病毒在活細胞內的動態行為及機制，并對流感病毒侵染宿主細胞典型運動軌跡進行分析，發現病毒侵染過程錯綜復雜。

　　中國科學院長春應用化學研究所團隊發現乙肝病毒表面抗原（HBsAg）通過小窩蛋白介導的內吞途徑跨膜，實現了病毒感染活細胞過程的高分辨、高靈敏、多維動態示蹤，展示出納米生物技術良好的應用前景。

　　最近，中國科學院深圳先進技術研究院團隊研究出近紅外量子點標記病毒感染活體動物的非侵入示蹤技術；成功地長時間跟蹤了禽流感H5N1假病毒對小鼠的感染過程。