科学家通过原位细菌发酵制备新材料，可用于光电器件和信息安全

近日，澳门大学张宣军教授和团队以微生物辅助不对称生物合成为启发，开发出一种通过原位细菌发酵制备圆偏振活性材料的新方法。

发酵现象在日常生活中非常常见，最早可以追溯到《齐民要术》，当时人们在食醋酿制过程中发现发酵液表面有一层凝胶状的菌膜，即细菌纤维素。

因此，在本次研究之中，研究团队通过对不同荧光颜色的糖基化分子进行细菌发酵，得到相应发光颜色的杂化细菌纤维素膜。该过程可以使本身没有圆偏振发光性质的分子表现出圆偏振发光，而本身具备圆偏振发光性质的分子，其发光性质得到大幅提升，最大不对称因子提升 39 倍。

此外，研究团队还开发了一种通过纤维素酶水解细菌纤维素的方法，以确认在发酵过程中，糖基化分子是否以共价键的方式嵌入到细菌纤维素中。通过对具有光开关性质的糖基化分子的发酵作用，研究团队实现了信息储存以及信息防伪的应用。

最有趣的是，在进行荧光-圆偏振光双通道检测金属离子时，研究团队发现蓝光可以促进这一过程。

这种圆偏振发光材料具有广泛的应用前景：

其一，可用于光电器件，即由于其特殊的旋光性，故可用于研发高效的发光二极管和激光器。

其二，可用于信息安全，即由于其独特的光学特性，可用于信息加密和防伪技术，以实现更高水平的信息安全。

其三，可用于三维显示，即圆偏振发光材料可以提供更高的图像质量和更逼真的视觉效果。

其四，可用于生物成像，其独特的光学特性使圆偏振荧光材料可用于高分辨率生物成像，帮助研究者更好地观察和研究生物样本。

其五，可用于智能传感，即用于开发智能传感器，以检测环境变化或化学物质。

总的来说，本次研究开发了一种制备圆偏振发光材料的新方法，为未来大规模生产提供了新思路。

圆偏振材料的可控生物合成仍面临诸多挑战

圆偏振光作为一种典型的光学手性现象，在信息防伪、数据存储、三维成像及生物医学检测和成像等领域展现出重要应用价值。传统圆偏振光产生方法采用多级物理转换系统：自然光首先通过线偏振片形成线偏振光，继而经四分之一波片实现偏振态转换。然而，这种级联光学系统存在固有缺陷，其偏振转换效率受限于多级光学元件的能量损耗，导致整体光能利用率显著降低。

为突破这一技术瓶颈，近年来科研界将研究重点转向高效圆偏振发光材料的开发。这类材料在普通光源激发下即可实现手性选择的圆偏振光发射，避免了传统物理器件的能量损耗问题。

此前研究主要集中于两大技术路线：化学合成法和物理组装法。其中化学合成法需要经过复杂的手性分子合成与拆分过程，工艺繁琐且成本较高；物理组装法虽利用分子间弱相互作用构建手性微环境，但所得材料的稳定性常受分子间作用力强度限制。

值得注意的是，生物合成技术为圆偏振材料制备提供了新思路。生物体系内天然存在 L-氨基酸、D-糖类等手性分子库，结合生物酶催化的高选择性特点，可实现手性结构的精准构筑。这种基于生物模板的合成策略不仅具有环境友好、能耗低的优势，其产物在分子手性纯度与结构稳定性方面更展现出独特优势，为发展新型圆偏振发光材料开辟了绿色制造路径。

但是，由于缺乏生物活性发光前体和合适的生物反应器，圆偏振材料的可控生物合成仍面临诸多挑战。此外，生物活性发光前体共价键嵌入的确认方法也有待进一步发展。

细菌发酵小试牛刀，普适性验证令人惊喜

从宏观角度来看，人类的生命体就像一个庞大的化学反应器，内部不断进行的化学反应维持着生命体的日常活动。从微观角度来看，作为生命体基本构成单位的细胞，其内部的化学合成在各种酶的催化下，展现出高效且高度选择性的特征。这些酶不仅加速了反应速度，还确保了反应的精确性和特异性，从而使得生命体能够高效地运作和维持自身的稳定。

因此，研究团队最初的想法是通过这种原位酶催化的生物合成来做一些事情。正如前面提到的，目前圆偏振发光材料的制备主要集中在化学合成和物理组装两种策略上。

结合研究团队最初的想法，这个课题便应运而生。确定这个想法之后，研究团队面临的主要问题有三个：首先是合成生物反应器的选择，其次是生物反应单体的设计，最后是如何确认该反应确实发生。

通过文献调研，研究团队发现纤维素膜和纤维素纳米晶可以作为手性载体引发圆偏振发光。然而，目前这种圆偏振发光材料的制备主要依赖于物理吸附或组装。通过共价键将发光前体嵌入纤维素载体以引发圆偏振发光的策略尚待开发。

除了从木材中分离纤维素外，还可以通过细菌发酵进行生物合成。因此，研究团队选择了纤维素产量较高的木醋杆菌作为生物反应器。细菌发酵的本质是细菌内部的纤维素合成酶催化葡萄糖的 1,4-糖苷化聚合反应。因此，只需对葡萄糖进行官能团化，就可以得到不同的葡萄糖衍生物（糖基化分子），即生物合成单体。

于是，他们设计并合成了具有绿色发光性质的糖基化分子，并进行了细菌发酵测试。令人兴奋的是，研究团队成功获得了具有绿色荧光的细菌纤维素膜，这初步确认了聚合反应的发生。

通过测试圆偏振发光性质，研究团队发现该绿色发光分子本身不具备圆偏振发光特性，但经过细菌发酵后，它展现出了圆偏振发光。基于此，他们初步确认上述策略是可行的。

为了检验这种细菌发酵方法的普适性，课题组进一步设计了一系列具有不同荧光性质的糖基化分子。实验结果表明，这些分子都能成功应用于细菌发酵，制备出相应的杂化细菌纤维素膜。

通过测定这些膜的圆偏振发光性质，研究团队发现该策略能使原本不具备圆偏振发光性质的糖基化分子表现出圆偏振发光，而对于那些本身具备圆偏振发光性质的糖基化分子，其发光性质得到了大幅度增强。这进一步验证了研究团队策略的可行性和广泛适用性。

虽然通过细菌发酵得到的杂化细菌纤维素膜表现出与其反应单体相同或类似的荧光性质，但这些证据不足以直接证明糖基化荧光分子是以共价键的形式嵌入到细菌纤维素中。

纤维素酶（β-1,4-葡聚糖-4-葡聚糖水解酶）是一组降解纤维素生成葡萄糖的酶的总称，它不是单一酶，而是由多种协同作用的酶组成的复合酶系，主要包括外切 β-葡聚糖酶、内切 β-葡聚糖酶和 β-葡萄糖苷酶等。

因此，研究团队利用纤维素酶水解纤维素的特性，对制备的杂化细菌纤维素膜进行了水解反应。幸运的是，通过高分辨质谱检测，他们确认了糖基化分子杂化的单糖和寡糖，从而直接证明了共聚反应的发生。

既然可以通过细菌发酵策略制备出具有圆偏振发光特性的杂化细菌纤维素膜，那么这些膜是否具有潜在的应用价值呢？

有趣的是，研究团队发现近红外荧光的糖基化分子可以通过铁催化的碳-碳双键断裂实现铁离子的特异性检测，但检测产物并未表现出圆偏振发光性质，这限制了其潜在应用。然而，当该糖基化分子聚合成杂化细菌纤维素后，不仅保留了近红外荧光发射特性，还表现出圆偏振发光活性，为铁离子的荧光-圆偏振光双通道检测奠定了基础。

本次研究还发现，直接使用该杂化细菌纤维素膜检测铁离子时效率较低，可能是由于铁离子吸附在纤维素膜表面，限制了其与检测分子的碰撞。然而，令他们惊喜的是，420nm 发光二极管光照射可以显著加速检测过程。

通过电子顺磁共振实验，他们检测到仅在铁离子和纤维素膜共存时产生的活性氧，由此推测细菌纤维素中的羟基可能有助于形成铁-细菌纤维素中间体，在蓝光照射下释放自由基，从而增强碳-碳双键的氧化断裂。基于这些实验结果，课题组成功实现了铁离子的圆偏振光通道检测，进而实现了荧光-圆偏振光双通道检测。

此外，研究团队还设计并合成了具有光开关性质的糖基化分子，通过细菌发酵制备出具有光开关性质的杂化细菌纤维素膜，并能被用于不同类型的信息存储。

日前，相关论文以《微生物辅助制备圆极化发光细菌纤维素杂化物》（Microbe-assisted fabrication of circularly polarized luminescent bacterial cellulosic hybrids）为题发表在 Nature Communications[1]。

澳门大学的张宣军教授和黄冠豪教授以及南方科技大学的吴长锋教授担任共同通讯作者。

基于该研究，研究团队后续会继续深耕生物合成领域，利用生物合成做一些有趣且实用的研究。其将探索一些生物活性分子（包括抗癌药物）在细胞内的原位合成等。

参考资料：

1.Sun, Y., Zhang, D., Dong, Z. et al. Microbe-assisted fabrication of circularly polarized luminescent bacterial cellulosic hybrids. Nat Commun 16, 1115 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56253-7

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