近日，澳門大學張宣軍教授和團隊以微生物輔助不對稱生物合成為啟發，開發出一種通過原位細菌發酵制備圓偏振活性材料的新方法。

圖 | 張宣軍（來源：張宣軍）

發酵現象在日常生活中非常常見，最早可以追溯到《齊民要術》，當時人們在食醋釀制過程中發現發酵液表面有一層凝膠狀的菌膜，即細菌纖維素。

因此，在本次研究之中，研究團隊通過對不同熒光顏色的糖基化分子進行細菌發酵，得到相應發光顏色的雜化細菌纖維素膜。該過程可以使本身沒有圓偏振發光性質的分子表現出圓偏振發光，而本身具備圓偏振發光性質的分子，其發光性質得到大幅提升，最大不對稱因子提升 39 倍。

此外，研究團隊還開發了一種通過纖維素酶水解細菌纖維素的方法，以確認在發酵過程中，糖基化分子是否以共價鍵的方式嵌入到細菌纖維素中。通過對具有光開關性質的糖基化分子的發酵作用，研究團隊實現了信息儲存以及信息防偽的應用。

最有趣的是，在進行熒光-圓偏振光雙通道檢測金屬離子時，研究團隊發現藍光可以促進這一過程。

這種圓偏振發光材料具有廣泛的應用前景：

其一，可用于光電器件，即由于其特殊的旋光性，故可用于研發高效的發光二極管和激光器。

其二，可用于信息安全，即由于其獨特的光學特性，可用于信息加密和防偽技術，以實現更高水平的信息安全。

其三，可用于三維顯示，即圓偏振發光材料可以提供更高的圖像質量和更逼真的視覺效果。

其四，可用于生物成像，其獨特的光學特性使圓偏振熒光材料可用于高分辨率生物成像，幫助研究者更好地觀察和研究生物樣本。

其五，可用于智能傳感，即用于開發智能傳感器，以檢測環境變化或化學物質。

總的來說，本次研究開發了一種制備圓偏振發光材料的新方法，為未來大規模生產提供了新思路。

（來源：Nature Communications）

圓偏振材料的可控生物合成仍面臨諸多挑戰

圓偏振光作為一種典型的光學手性現象，在信息防偽、數據存儲、三維成像及生物醫學檢測和成像等領域展現出重要應用價值。傳統圓偏振光產生方法采用多級物理轉換系統：自然光首先通過線偏振片形成線偏振光，繼而經四分之一波片實現偏振態轉換。然而，這種級聯光學系統存在固有缺陷，其偏振轉換效率受限于多級光學元件的能量損耗，導致整體光能利用率顯著降低。

為突破這一技術瓶頸，近年來科研界將研究重點轉向高效圓偏振發光材料的開發。這類材料在普通光源激發下即可實現手性選擇的圓偏振光發射，避免了傳統物理器件的能量損耗問題。

此前研究主要集中于兩大技術路線：化學合成法和物理組裝法。其中化學合成法需要經過復雜的手性分子合成與拆分過程，工藝繁瑣且成本較高；物理組裝法雖利用分子間弱相互作用構建手性微環境，但所得材料的穩定性常受分子間作用力強度限制。

值得注意的是，生物合成技術為圓偏振材料制備提供了新思路。生物體系內天然存在 L-氨基酸、D-糖類等手性分子庫，結合生物酶催化的高選擇性特點，可實現手性結構的精準構筑。這種基于生物模板的合成策略不僅具有環境友好、能耗低的優勢，其產物在分子手性純度與結構穩定性方面更展現出獨特優勢，為發展新型圓偏振發光材料開辟了綠色制造路徑。

但是，由于缺乏生物活性發光前體和合適的生物反應器，圓偏振材料的可控生物合成仍面臨諸多挑戰。此外，生物活性發光前體共價鍵嵌入的確認方法也有待進一步發展。

（來源：Nature Communications）

細菌發酵小試牛刀，普適性驗證令人驚喜

從宏觀角度來看，人類的生命體就像一個龐大的化學反應器，內部不斷進行的化學反應維持著生命體的日常活動。從微觀角度來看，作為生命體基本構成單位的細胞，其內部的化學合成在各種酶的催化下，展現出高效且高度選擇性的特征。這些酶不僅加速了反應速度，還確保了反應的精確性和特異性，從而使得生命體能夠高效地運作和維持自身的穩定。

因此，研究團隊最初的想法是通過這種原位酶催化的生物合成來做一些事情。正如前面提到的，目前圓偏振發光材料的制備主要集中在化學合成和物理組裝兩種策略上。

結合研究團隊最初的想法，這個課題便應運而生。確定這個想法之后，研究團隊面臨的主要問題有三個：首先是合成生物反應器的選擇，其次是生物反應單體的設計，最后是如何確認該反應確實發生。

通過文獻調研，研究團隊發現纖維素膜和纖維素納米晶可以作為手性載體引發圓偏振發光。然而，目前這種圓偏振發光材料的制備主要依賴于物理吸附或組裝。通過共價鍵將發光前體嵌入纖維素載體以引發圓偏振發光的策略尚待開發。

除了從木材中分離纖維素外，還可以通過細菌發酵進行生物合成。因此，研究團隊選擇了纖維素產量較高的木醋桿菌作為生物反應器。細菌發酵的本質是細菌內部的纖維素合成酶催化葡萄糖的 1,4-糖苷化聚合反應。因此，只需對葡萄糖進行官能團化，就可以得到不同的葡萄糖衍生物（糖基化分子），即生物合成單體。

于是，他們設計并合成了具有綠色發光性質的糖基化分子，并進行了細菌發酵測試。令人興奮的是，研究團隊成功獲得了具有綠色熒光的細菌纖維素膜，這初步確認了聚合反應的發生。

通過測試圓偏振發光性質，研究團隊發現該綠色發光分子本身不具備圓偏振發光特性，但經過細菌發酵后，它展現出了圓偏振發光。基于此，他們初步確認上述策略是可行的。

為了檢驗這種細菌發酵方法的普適性，課題組進一步設計了一系列具有不同熒光性質的糖基化分子。實驗結果表明，這些分子都能成功應用于細菌發酵，制備出相應的雜化細菌纖維素膜。

通過測定這些膜的圓偏振發光性質，研究團隊發現該策略能使原本不具備圓偏振發光性質的糖基化分子表現出圓偏振發光，而對于那些本身具備圓偏振發光性質的糖基化分子，其發光性質得到了大幅度增強。這進一步驗證了研究團隊策略的可行性和廣泛適用性。

雖然通過細菌發酵得到的雜化細菌纖維素膜表現出與其反應單體相同或類似的熒光性質，但這些證據不足以直接證明糖基化熒光分子是以共價鍵的形式嵌入到細菌纖維素中。

纖維素酶（β-1,4-葡聚糖-4-葡聚糖水解酶）是一組降解纖維素生成葡萄糖的酶的總稱，它不是單一酶，而是由多種協同作用的酶組成的復合酶系，主要包括外切 β-葡聚糖酶、內切 β-葡聚糖酶和 β-葡萄糖苷酶等。

因此，研究團隊利用纖維素酶水解纖維素的特性，對制備的雜化細菌纖維素膜進行了水解反應。幸運的是，通過高分辨質譜檢測，他們確認了糖基化分子雜化的單糖和寡糖，從而直接證明了共聚反應的發生。

既然可以通過細菌發酵策略制備出具有圓偏振發光特性的雜化細菌纖維素膜，那么這些膜是否具有潛在的應用價值呢？

有趣的是，研究團隊發現近紅外熒光的糖基化分子可以通過鐵催化的碳-碳雙鍵斷裂實現鐵離子的特異性檢測，但檢測產物并未表現出圓偏振發光性質，這限制了其潛在應用。然而，當該糖基化分子聚合成雜化細菌纖維素后，不僅保留了近紅外熒光發射特性，還表現出圓偏振發光活性，為鐵離子的熒光-圓偏振光雙通道檢測奠定了基礎。

本次研究還發現，直接使用該雜化細菌纖維素膜檢測鐵離子時效率較低，可能是由于鐵離子吸附在纖維素膜表面，限制了其與檢測分子的碰撞。然而，令他們驚喜的是，420nm 發光二極管光照射可以顯著加速檢測過程。

通過電子順磁共振實驗，他們檢測到僅在鐵離子和纖維素膜共存時產生的活性氧，由此推測細菌纖維素中的羥基可能有助于形成鐵-細菌纖維素中間體，在藍光照射下釋放自由基，從而增強碳-碳雙鍵的氧化斷裂。基于這些實驗結果，課題組成功實現了鐵離子的圓偏振光通道檢測，進而實現了熒光-圓偏振光雙通道檢測。

此外，研究團隊還設計并合成了具有光開關性質的糖基化分子，通過細菌發酵制備出具有光開關性質的雜化細菌纖維素膜，并能被用于不同類型的信息存儲。

（來源：Nature Communications）

日前，相關論文以《微生物輔助制備圓極化發光細菌纖維素雜化物》（Microbe-assisted fabrication of circularly polarized luminescent bacterial cellulosic hybrids）為題發表在 Nature Communications[1]。

澳門大學的張宣軍教授和黃冠豪教授以及南方科技大學的吳長鋒教授擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）

基于該研究，研究團隊后續會繼續深耕生物合成領域，利用生物合成做一些有趣且實用的研究。其將探索一些生物活性分子（包括抗癌藥物）在細胞內的原位合成等。

參考資料：

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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