为了获得金从水相体系中吸附与回收的基础信息，研究了Au(III)和Au(0)纳米颗粒与S层蛋白的相互作用。蛋白质聚合物的吸附行为通过ICP-MS进行分析，而蛋白质单分子层的吸附行为则采用QCM-D技术研究。随后通过AFM对所形成的纳米结构进行成像观察。
方法文章
为了获得金从水相体系中吸附与回收的基础信息，研究了Au(III)和Au(0)纳米颗粒与S层蛋白的相互作用。蛋白质聚合物的吸附行为通过ICP-MS进行分析，而蛋白质单分子层的吸附行为则采用QCM-D技术研究。随后通过AFM对所形成的纳米结构进行成像观察。
本文描述了球形赖氨酸芽孢杆菌（Lysinibacillus sphaericus）JG-B53 表面层（S-layer）蛋白（Slp1）对金的吸附行为。这些生物分子可在表面形成准晶态的二维阵列，具有结合金属的能力，因此在多种生物技术应用中具有重要意义，例如作为生物吸附材料，用于从环境或工业流程中去除或回收不同元素。通过S层介导的合成1或纳米颗粒吸附的方式，在S层上沉积零价金（Au(0)）纳米颗粒，为多种传感应用开辟了新的可能性。尽管已有大量研究报道了S层的生物吸附特性2-5，但对蛋白质-蛋白质及蛋白质-金属相互作用的深入理解仍具挑战性。在本研究中，采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）检测悬浮S层对金属的吸附情况，并结合石英晶体微天平耗散监测技术（QCM-D）进行分析。QCM-D可实现对蛋白质单分子层形成及金属沉积过程的在线检测，从而更深入地理解金属结合机制。
ICP-MS 结果表明，Au(III) 与悬浮 S 层聚合物的结合具有 pH 依赖性，在 pH 4.0 时达到最大结合量。in situ 实验期间，QCM-D 研究实现了对 Au(III) 吸附以及 Au(0) 纳米颗粒沉积的实时检测。此外，该方法还允许研究金属结合对 Slp1 蛋白晶格稳定性的影响。在 QCM-D 实验结束后，可直接利用原子力显微镜（AFM）观察其结构特性和蛋白层的稳定性。综上所述，结合这些不同方法可更深入地理解细菌 S 层蛋白在悬浮状态或作为单层膜附着于细菌细胞或再结晶表面时对金属的结合行为。
由于黄金在电子、催化剂、生物传感器或医疗设备等多种应用中的使用日益增加，近年来这种贵金属的需求不断增长 6-9金以及许多其他贵金属和重金属通过工业废水以稀释浓度排放、采矿活动和废物处置进入环境 7,8,10，尽管重金属或贵金属对环境的污染主要是由技术活动引起的持续过程。这会导致自然生态系统受到显著干扰，并可能威胁人类健康。 9了解这些负面影响推动了寻找从受污染生态系统中去除金属的新技术，以及改进从工业废水中回收金属的方法。已建立的物理化学方法（如沉淀法或离子交换法）在高稀释溶液中效果较差。 7,8,11生物吸附，无论是利用活体还是死体生物量，都是废水处理的一种有吸引力的替代方法 10,12. 此类生物材料的使用可减少有毒化学物质的消耗。已有许多微生物被报道具有积累或固定金属的能力。例如，细胞 Lysinibacillus sphaericus (L. sphaericus）JG-A12 对贵金属表现出高结合能力， 例如， Pd(II)、Pt(II)、Au(III) 以及其他有毒金属如 Pb(II) 或 U(VI) 4,13，Lysinibacillus sphaericus JG-B53 的细胞 巨大芽孢杆菌 用于 Cr(VI) 14，Lysinibacillus sphaericus JG-B53 的细胞 ....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
1. 微生物及培养条件
注意：所有实验均在无菌条件下进行。L. sphaericus JG-B53 来源于冻存培养物29,30。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
微生物培养与Slp1蛋白表征
细菌生长记录数据显示，指数生长期在约5小时结束。先前研究表明，从该收获时间点可分离获得Slp1（湿菌体生物量为4.36 g/L（≈1.45 g/L（BDW）），达到最大产量 19然而，通过使用成分明确的培养基或补料分批培养策略来优化培养过程，将获得更高的生物量产量。这对于工业应用中大量生物量的使用是不可或缺的。来自 在线 和 离线 记录的培养参数汇总于 图3A显微镜检查（图3B收获时显示为未孢子化的细胞 L. sphaericus JG-B53
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本研究采用多种分析方法相结合的方式，探讨了金（Au）与S层蛋白的结合特性。特别是，金的结合不仅在从矿井水或工艺溶液中回收金方面具有重要意义，而且在材料构建方面也极具吸引力， 例如， 传感表面。为了研究金（Au(III) 和 Au(0)-NPs）与悬浮态及重结晶单分子层 Slp1 的相互作用，需先分离该蛋白。因此，本研究展示了革兰氏阳性菌株的 successful cultivation L. sphaericus JG-B53 及其表面层蛋白 Slp1 的分离。然而，该菌的培养和蛋白分离仍具有挑战性，需进一步优化。大规模生产生物量和表面层蛋白是实现两者工业化应用的前提。 例如， 用于制备金属选择性过滤材料。在去除工艺水、废水或排水中的有毒金属，或回收其中溶解的有价金属方面，其应用潜力无疑很高。此外，考虑到S层在其他仿生材料（如生物传感器和催化剂）中的额外应用潜力，其应用前景更为广阔。
悬浮的 Slp1 聚合物的批式吸附实验表明，在 pH 2.0 至 5.0 的考察范围内，对 Au(III) 具有高且稳定的结合能力，金属去除率最高.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作部分由IGF项目资助 "S-Sieve" （490 ZBG/1）由德国联邦经济事务和气候行动部（BMWi）和德国联邦教育与研究部（BMBF）项目资助 "Aptasens" （BMBF/DLR 01RB0805A）。特别感谢 Tobias J. Günther 在原子力显微镜研究过程中提供的宝贵帮助，感谢以英语为母语的 Erik V. Johnstone 对稿件的审阅。此外，本文作者还感谢 Aline Ritter 和 Sabrina Gurlit（来自资源生态学研究所）在 ICP-MS 测量方面的协助，以及 Manja Vogel、Nancy Unger、Karen E. Viacava 和弗莱贝格赫姆霍兹研究所资源技术生物技术团队的支持。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 仪器和软件 | |||
| 70升中试规模在位灭菌生物反应器系统 | Applikon Biotechnology，荷兰 | Z6X | 包含Applikon Biotechnology的dO2、pH传感器及BioXpert软件V2版本 |
| 非侵入式生物量监测仪BugEye 2100 | BugLab，美国加利福尼亚州康科德 | Z9X | --- |
| 分光光度计Ultrospec 1000 | Amersham Pharmacia Biotech，英国 | 80-2109-10 | 该公司现为GE Healthcare Life Sciences |
| MiniStar微型离心机 | VWR，德国 | 521-2844 | 用于培养样品的离心 |
| 研究级显微镜BX-61 | Olympus Germany LLC，德国 | 037006 | 与成像软件联用的显微镜 |
| Cell^P（版本3.1） | Olympus Soft Imaging Solutions LLC，德国明斯特ü | --- | 与显微镜配套使用 |
| Powerfuge Pilot分离系统Serie 9010-S | Carr Centritech，美国佛罗里达州 | 9010PLT | 用于生物量收获 |
| T18 basic Ultra Turrax | IKA Labortechnik，德国 | 431-2601 | 用于鞭毛去除和样品均质化 |
| Sorvall Evolution RC超速离心机 | Thermo Fisher Scientific，美国 | 728411 | 用于蛋白质分离 |
| 移动式高剪切流体处理器M-110EH-30 Pilot | Microfluidics，美国马萨诸塞州 | M110EH30K | 用于细胞破碎 |
| Alpha 1-4 LSC冷冻干燥机 | Martin Christ Freeze dryers LLC，德国奥斯托罗德 | 102041 | --- |
| 紫外-可见分光光度计（NanoDrop 2000c） | Thermo Fisher Scientific，美国 | 91-ND-2000C-L | 用于蛋白质浓度测定 |
| Mini-PROTEAN垂直电泳槽 | Bio-Rad Laboratories GmbH，德国慕尼黑 | 165-3322 | 用于SDS-PAGE |
| VersaDoc成像系统3000 | Bio-Rad Laboratories GmbH，德国慕尼黑 | 1708030 | 用于SDS-PAGE凝胶成像 |
| ICP-MS Elan 9000 | PerkinElmer，美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 | N8120536 | 用于金属浓度测定 |
| Zetasizer Nano ZS | Malvern Instruments，英国伍斯特郡 | ZEN3600 | 用于纳米颗粒尺寸测定 |
| Q-Sense E4设备 | Q-Sense AB，瑞典哥德堡 | QS-E4 | 通过LOT quantum design订购（软件随E4平台提供） |
| Q-Soft 401（数据记录） | Q-Sense AB，瑞典哥德堡 | ||
| Q-Tools 3（数据分析与建模） | Q-Sense AB，瑞典哥德堡 | ||
| QCM-D流控模块QFM 401 | Q-Sense AB，瑞典哥德堡 | QS-QFM401 | 通过LOT quantum design订购 |
| QSX 303 SiO2压电AT切割石英传感器 | Q-Sense AB，瑞典哥德堡 | QS-QSX303 | 通过LOT quantum design订购 |
| 臭氧清洗室 | Bioforce Nanoscience，美国爱荷华州艾姆斯 | QS-ESA006 | 通过LOT quantum design订购 |
| 原子力显微镜MFP-3D Bio AFM | Asylum Research，美国加利福尼亚州圣塔芭芭拉 | MFP-3DBio | 用于AFM测量及成像软件 |
| Asylum Research AFM软件AR版本120804+1223 | Asylum Research，美国加利福尼亚州圣塔芭芭拉 | --- | 成像软件，包含在货号MFP-3DBio中 |
| Igor Pro 6.3.2.3软件 | WaveMetrics, Inc.，美国 | --- | 成像软件，包含在货号MFP-3DBio中 |
| BioHeater | Asylum Research，美国加利福尼亚州圣塔芭芭拉 | Bioheater | AFM测量用样品加热器 |
| Biolever mini悬臂梁， BL-AC40TS-C2 | Olympus Germany LLC，德国 | BL-AC40TS-C2 | 推荐用于AFM测量的悬臂梁 |
| WSxM 5.0 Develop 6.5 (2013) | Nanotec Electronica S.L.，西班牙 | 免费软件 | AFM分析软件 |
| 名称 | 公司 | 货号 | 备注 |
| 洗涤剂及其他设备 | |||
| 乙酸，100%，分析纯 | CARL ROTH GmbH+CO.KG | 3738.5 | 危险品，易燃且具腐蚀性液体和蒸气，可导致严重皮肤灼伤和眼睛损伤。 |
| 消泡剂204 | Sigma-Aldrich Co. LLC. | A6426 | 用于抑制泡沫 |
| 溴酚蓝钠盐 | Sigma-Aldrich Co. LLC. | B5525 | --- |
| 考马斯亮蓝R（C45H44N3NaO7S2） | CARL ROTH GmbH+CO.KG | 3862.1 | --- |
| 猪脾脱氧核糖核酸酶II | Sigma-Aldrich Co. LLC. | D4138 | IV型，2,000 - 6,000 Kunitz单位/毫克蛋白质 |
| 乙醇，95% | VWR，德国 | 20827.467 | 危险品，易燃 |
| 甘油，分析纯 | CARL ROTH GmbH+CO.KG | 3783.1 | --- |
| 盐酸胍（GuHCl） | CARL ROTH GmbH+CO.KG | 0037.1 | --- |
| Hellmanex III | Hellma GmbH & Co. KG | 9-307-011-4-507 | --- |
| 盐酸（HCl）（37%） | CARL ROTH GmbH+CO.KG | 4625.2 | 危险品；具腐蚀性，用于pH调节 |
| 溶菌酶（来自鸡蛋清） | Sigma-Aldrich Co. LLC. | L6876 | 冻干粉末，蛋白质含量≥90%，活性≥40,000单位/毫克蛋白质（Sigma） |
| 带加热磁力搅拌器， MR 3000K | Heidolph Instruments GmbH & Co.KG，德国 | 504.10100.00 | 实验中标准搅拌器 |
| NB-Media DM180 | Mast Diagnostica GmbH | 121800 | --- |
| 硝酸（HNO3） | CARL ROTH GmbH+CO.KG | HN50.1 | 危险品；氧化性、腐蚀性 |
| PageRuler未染色蛋白Marker | ThermoScientific-Pierce | 26614 | --- |
| 聚（4-苯乙烯磺酸钠）（PSS） | Sigma-Aldrich Co. LLC. | 243051 | 平均分子量约70,000 |
| 聚乙烯亚胺（PEI），支化型 | Sigma-Aldrich Co. LLC. | 408727 | 警告；有害、刺激性、对环境有害；平均分子量约25,000 |
| 无水碳酸钾（K2CO3） | Sigma-Aldrich Co. LLC. | 60108 | 警告；有害 |
| 牛胰核糖核酸酶A | Sigma-Aldrich Co. LLC. | R5503 | I-AS型，50 - 100 Kunitz单位/毫克蛋白质 |
| 叠氮化钠（NaN3） | Merck KGaA | 106688 | 危险品；剧毒且对环境有害 |
| 氯化钠（NaCl） | CARL ROTH GmbH+CO.KG | 3957.2 | --- |
| 十二烷基硫酸钠（SDS） | Sigma-Aldrich Co. LLC. | L-5750 | 危险品；有毒 |
| 氢氧化钠（NaOH） | CARL ROTH GmbH+CO.KG | 6771.1 | 危险品；具腐蚀性，用于培养过程中的pH调节及pH调整 |
| Spectra/Por 6透析膜，截留分子量50,000 | CARL ROTH GmbH+CO.KG | 1893.1 | --- |
| 硫酸（H2SO4） | CARL ROTH GmbH+CO.KG | HN52.2 | 危险品；具腐蚀性，用于培养过程中的pH调节 |
| 单宁酸（C76H52O46） | Sigma-Aldrich Co. LLC. | 16201 | --- |
| TRIS HCl（C4H11NO3HCl） | CARL ROTH GmbH+CO.KG | 9090.2 | --- |
| Triton X-100 | CARL ROTH GmbH+CO.KG | 3051.3 | 警告；有害，对环境有害 |
| VIVASPIN 500，50,000截留分子量超滤管 | Sartorius AG | VS0132 | --- |
| β-巯基乙醇 | Sigma-Aldrich Co. LLC. | M6250 | 危险品，有毒 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可