碳纳米管在活细胞中的内化形成了细胞成像、基因和药物递送以及其他生物和医学全细胞应用新技术的基础。许多合成和生物分子可以固定在碳纳米管的表面上，当适当地官能化时，它们能够跨越生物屏障并结合到特定的分子靶标上。单壁碳纳米管 (SWCNT) 具有独特的光电特性，非常适合光疗、成像和传感。与传统的荧光探针不同，半导体SWCNT的电子带隙允许这些纳米结构在很宽的电磁光谱范围内吸收光，并将吸收的能量重新发射为近红外 (NIR) 荧光。这种荧光在连续暴露于高强度照明时保持光稳定性，从而实现长期、连续和定量的光学传感和成像。此外，荧光不同于在可见光范围内发射的生物荧光团的自发荧光。单壁碳纳米管已被用于细胞核和核周区域的亚细胞靶向，并且它们的半导体特性已被用于癌细胞的光疗治疗。鉴于此，洛桑联邦理工学院Ardemis A. Boghossian等研究人员探索了 SWCNTs 在革兰氏阴性蓝藻中的吸收，并证明了用带正电荷的生物分子装饰的 SWCNTs 的被动长度依赖性和选择性内化。该研究专注于光合营养的蓝藻，它具有复杂的细胞壁，通透性降低。虽然 SWCNT 已用于真核生物的递送应用，但它们在用于这些光合原核生物中具有额外的优势。此外，可见区域蓝藻的自发荧光与通常用于生物成像和传感的荧光团的荧光重叠。但这种限制可以通过 SWCNT 的 NIR 发射来克服。研究人员将SWCNTs用各种涂层进行非共价功能化，以保持 SWCNT 荧光，随后筛选它们的内化效率。研究人员表明，与DNA涂层相比，溶菌酶涂层的SWCNT 自发地穿透单细胞菌株和多细胞菌株的细胞壁。为了确定 LSZ-SWCNT 在细胞内的精确分布，研究人员使用定制的旋转圆盘共聚焦显微镜对自体荧光细胞内明显的近红外 SWCNT 荧光进行成像，揭示了 SWCNT 的高度不均匀分布。通过共聚焦 NIR 荧光显微镜使用延时体内细胞成像研究细胞分裂前后的 SWCNT 分布。在用 LSZ-SWCNTs 处理后，大多数集胞藻细胞表现出持续生长，正常的细胞形态和分裂超过100 小时。对分裂后纳米粒子分布的更仔细检查表明，结合在原始细胞中的一部分 SWCNT 被转移到子细胞中。与非分裂细胞相比，研究人员观察到近红外荧光更明显的减少。每个分裂细胞的NIR荧光随着每一代而降低。膜中纳米管的稀释主要是由于每一代新形成的膜的数量增加。因此，NIR 强度可用于从单个图像推断细胞的生成。因此，荧光强度也可用于区分分裂细胞和非分裂细胞，后者显示出更高的近红外荧光。虽然这里没有彻底研究细胞内传感应用，但纳米管已证明的 NIR 荧光灵敏度为监测自体荧光细胞（如蓝藻）中的代谢通量提供了有希望的途径。重要的是，SWCNTs 也被证明可以提高体内和体外光合作用光反应的效率。存在SWCNT时光电流的增强可归因于细胞粘附和内化隔室的跨膜桥接的差异。如本文所展示的，这种增强促进了它们在基于能量的应用中的使用，例如活光伏。综上所述，该研究探索了基于活原核细胞的纳米仿生应用。除了阐明原核纳米颗粒吸收和蛋白质传递的基本机制外，研究人员还展示了基于 SWCNT 的纳米仿生学在增强生物光伏器件和跨代成像方面的应用。这种跨代追踪不仅可用于推断细胞的倍增历史，因为已知集胞藻细胞在交替的垂直平面上分裂，而且还可用于推断细胞的膜进展。这些观察最终指向了在没有任何基因操作的情况下，几代人之间生物体的合成增强。这一遗传纳米仿生学的演示为工程生命、分裂细胞提供了新的可能性，其能力超出了自然界中发现的能力。Antonucci, A., Reggente, M., Roullier, C. et al. Carbon nanotube uptake in cyanobacteria for near-infrared imaging and enhanced bioelectricity generation in living photovoltaics. Nat. Nanotechnol. (2022).https://doi.org/10.1038/s41565-022-01198-x
