近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所严飞研究员团队的最新研究成果以“Biosynthesis of Melanin Nanoparticles for Photoacoustic Imaging Guided Photothermal Therapy”为题发表于材料领域国际知名期刊Small。
深圳先进院是第一通讯单位。深圳先进院严飞研究员，深圳大学林静教授，广东医科大学附属医院徐晓红主任医师为该文章的共同通讯作者。深圳先进院博士研究生扶美君，南方医科大学博士研究生杨玉萍，河北医科大学硕士研究生张兆萌为该文章的共同第一作者。
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文章链接：https://doi.org/10.1002/smll.202205343
虽然光热治疗已成为一种很有前途的癌症治疗策略，但许多光热疗剂的生物相容性差，生产和加工过程中经常涉及复杂的反应方法，苛刻的反应条件。因此，在环境友好的条件下开发生物相容性好的光热疗剂具有重要的研究意义。黑色素是一种多功能色素，广泛应用于能源和生物医学等领域。黑色素在自然界中广泛存在，但价格昂贵。
目前市面上的黑色素主要是通过化学合成或从乌贼中提取获得的，这对黑色素的大规模生产提出了重大挑战。微生物可作为生物工厂用于生物材料的大规模生产。与化学合成方法相比，生物合成的方法具有如下的优点：反应条件温和，环境友好，生物相容性好。
在本项目研究中，研究团队首先在大肠杆菌中异源表达了酪氨酸酶。酪氨酸酶可催化底物L-酪氨酸羟化生成3,4-二羟基苯丙氨酸(L-DOPA)，L-DOPA进一步氧化生成多巴醌，多巴醌聚合生成黑色素纳米颗粒。随后，研究团队对生物合成的黑色素纳米颗粒的结构进行了表征，并评估了其光热性能和生物安全性。实验结果表明生物合成的黑色素纳米颗粒光热稳定性好，光热转化效率高，生物相容性好。此外，研究结果表明生物合成的黑色素纳米颗粒具有优良的光声成像性能，可作为一种环境友好的光热疗剂用于光声成像引导的光热治疗，具有重要的研究价值与应用前景。
图1.生物合成黑色素纳米颗粒用于光声成像引导光热治疗肿瘤的示意图
图2.黑色素纳米颗粒的生物合成与表征。 (a) 黑色素纳米颗粒在大肠杆菌中生物合成的示意图， (b) 黑色素生物合成过程中不同时间点代表性图片， (c) 定量分析不同时间点黑色素生成的产量， (d) 黑色素纳米颗粒生物合成过程中不同时间点(0, 3 h, 6 h, 12 h)的样品进行RNA-seq文库构建并测序分析， (e) 表达显著变化基因的火山图， (f) 黑色素纳米颗粒的TEM图片(Scale bar =50 nm ) ，(g) DLS测定黑色素纳米颗粒的水合动力直径， (h) 不同浓度的生物合成黑色素纳米颗粒的紫外可见吸收光谱。
该研究工作获得了国家科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目、深圳市科创委以及深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。