CN103882064B

CN103882064B - 一种m13噬菌体介导的纳米铁还原镉离子的方法

Info

Publication number: CN103882064B
Application number: CN201410090776.7A
Authority: CN
Inventors: 于慧敏; 张帅; 中野和彦; 沈忠耀
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: CN103882064A

Abstract

本发明公开了属于环境污染治理及纳米材料制备领域的一种M13噬菌体介导的纳米铁还原镉离子的方法。该方法采用铁吸附特异性M13噬菌体介导合成均匀分散的零价纳米铁颗粒，采用镉吸附特异性M13噬菌体M13(Cd-s)均匀分散二价镉离子，然后将上述M13噬菌体介导分散的零价纳米铁作为还原剂，高效还原均匀分散于M13(Cd-s)表面的二价镉离子。本发明的方法还原效率高，反应快速，能够高效催化二价镉离子在噬菌体表面被还原为零价镉，从而去除环境中的镉污染，也能快速制备零价铁、铁氧化物和零价镉的纳米颗粒。

Description

一种M13噬菌体介导的纳米铁还原镉离子的方法

技术领域

本发明属于纳米材料制备及环境污染治理技术领域，具体涉及一种M13噬菌体介导的纳米铁还原镉离子的方法。

背景技术

镉（cadmium,Cd）广泛应用于电镀、电池、汽车、航空、颜料、油漆、印刷、塑料工业等行业。镉在环境中的常见价态主要是二价和零价。对大多数的生物来说，镉及其化合物都有一定程度的毒性：镉对呼吸道存在刺激作用，长期暴露会造成嗅觉丧失、牙龈黄斑；镉化合物不易被肠道吸收，但可经呼吸被人体吸收，积存于肝或肾脏造成危害；镉还可导致骨质疏松和软化。因此，美国环境保护署和欧盟都将镉及其化合物列为高危害有毒物质。许多国家对水中镉含量有严格的规范，例如美国环境保护署只允许饮用水含有10ppb的镉。随着近代工业的发展，工业废水以及废气中的镉及其化合物成为环境中镉元素的主要来源。

镉污染的治理主要手段之一是通过将环境中的可溶性镉及其化合物变成难溶的单质或盐加以去除。因此，镉污染的治理的关键问题是如何将可溶性镉及其化合物变成难溶的单质或盐。

含镉化合物的还原手段主要有：（1）常规氧化还原工艺：向污染源中投入改良剂、抑制剂等，改变pH和电导等理化性质，使镉发生氧化还原作用，降低镉的生物有效性。例如当土壤溶液中金属阳离子浓度在介质中发生改变（pH、OH^-、SO₄ ^2-等）时，能形成金属的沉淀物而降低环境中镉的污染；（2）电化学方法：美国正在研究用电来净化土壤。这种方法是利用电流的作用对污染的土壤和地下水进行净化处理，其本质也是一种氧化还原作用；（3）生物除镉技术：利用环境中的某些微生物对镉产生吸收、沉淀、氧化和还原等作用，使环境中的镉形成难溶磷酸盐；原核生物（细菌、放线茵）比真核生物（真菌）对镉更敏感，革兰氏阳性菌可吸收镉。

零价纳米铁作为一种常用的还原剂，在重金属污染的治理过程中扮演着越来越重要的角色。相比于普通铁粉，纳米铁具有粒径小、比表面积大的优势，这些优点大大提高了重金属还原反应的效率。然而纳米铁在制备过程中极易团聚，稳定性不高，因此如何解决纳米零价铁在制备过程中的团聚问题将成为该法成败的关键。

有研究表明，M13噬菌体十二肽展示肽库和七肽展示肽库中十二肽或七肽表达在M13噬菌体一端5个拷贝的p3蛋白N末端，复杂度为～2.7×10⁹个转化子。肽库中各噬菌体及野生型噬菌体周身2700个拷贝的p8蛋白N-末端序列均为N-Ala-Glu-Gly-Asp-Asp-Pro-Ala….。这些M13噬菌体具有特异性吸附铁阳离子的能力（LingT,etal.Virus-mediatedFCCIronNanoparticleInducedSynthesisofUraniumDioxideNanocrystal.Nanotechnology,2008,19(11):115608-115613）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种常温常压条件下高效还原二价镉离子（Cd(II)）的方法。

本发明的方法从生物和纳米技术前沿出发，以对人类无害的大肠杆菌病毒——丝状M13噬菌体（SambrookJ等，MolecularCloning:ALaboratorymanual，ColdSpringHarbor,NY:ColdSpringHarborLaboratoryPress.1989）为模板（约880×7nm），通过具有铁吸附特异性和镉吸附特异性的两种M13噬菌体对零价纳米铁合成和二价铬离子分散的分别介导，在常温常压条件下实现了二价镉阳离子（Cd(II)）的高效还原。

本发明的技术方案如下：

一种M13噬菌体介导的纳米铁还原镉离子的方法，于常温常压下，首先采用铁吸附特异性M13噬菌体（M13(Fe-s)）制备M13噬菌体表面分散的纳米零价铁（Fe-M13(Fe-s)），再采用镉吸附特异性M13噬菌体（M13(Cd-s)）制备M13噬菌体表面分散的二价镉离子（Cd(II)-M13(Cd-s)），最后将上述M13噬菌体表面分散的纳米零价铁作（Fe-M13(Fe-s)）为还原剂，与M13噬菌体表面分散的二价镉离子（Cd(II)-M13(Cd-s)）混合，实现镉离子的还原。

氧化还原反应后，Cd(II)在噬菌体表面被还原为纳米零价镉，零价铁则在噬菌体表面被氧化为铁的氧化物。

所述M13噬菌体表面分散的纳米零价铁的制备方法为：是将溶解在pH7.5的Tris-HCl缓冲液中的铁吸附特异性的M13噬菌体与氯化亚铁溶液混合后，再经硼氢化钠还原得到。

上述M13(Fe-s)介导合成的纳米零价铁的直径约为5-10nm。

所述M13噬菌体表面分散的二价镉离子的制备方法，是将溶解在pH7.5的Tris-HCl缓冲液中的镉吸附特异性的M13噬菌体与二氯化镉溶液均匀混合，得到M13噬菌体表面分散的二价镉离子。

所述铁吸附特异性M13噬菌体为pVIII衣壳蛋白未经改造的M13噬菌体。

所述pVIII衣壳蛋白未经改造的M13噬菌体为野生型M13噬菌体（例如，NEB公司,Beverly,MA）或者末端5个拷贝的PIII蛋白插入十二肽或七肽的重组M13噬菌体。

所述镉吸附特异性M13噬菌体为pVIII衣壳蛋白N-末端具有镉吸附特异性七肽的基因重组M13噬菌体。

所述的镉吸附特异性七肽的氨基酸序列如序列表中SEQIDNO:1、SEQIDNO:2、SEQIDNO:3、SEQIDNO:4、SEQIDNO:5、SEQIDNO:6、SEQIDNO:7、SEQIDNO:8或SEQIDNO:9所示。

本发明的目的同时在于提供一种镉吸附特异性M13噬菌体。

本发明的目的也在于提供一种含有上述镉吸附特异性七肽的基因的M13噬菌体表达载体。

本发明的目的还在于提供含有上述镉吸附特异性七肽的基因的转化体。

上述高效还原二价镉离子的方法，在铬离子、铅离子、铜离子、锌离子、铀离子、钴离子等其它重金属阳离子中的也可普遍应用。

本发明的有益效果：本发明一种高效还原二价镉的方法，所有反应步骤均在常温常压下进行。本发明铁吸附特异性的M13噬菌体介导合成的零价铁纳米颗粒，均匀分散于噬菌体表面，颗粒直径仅为5～10nm，远低于无噬菌体介导时硼氢化钠化学还原合成的铁纳米颗粒（100～200nm），从而具有更好的反应性；采用上述零价纳米铁来还原经镉吸附特异性的M13噬菌体均匀分散的镉离子，由于铁纳米颗粒不发生团聚，镉离子还原后还可沉积到镉特异性噬菌体表面从而避免产物沉积到铁纳米颗粒表面造成反应减缓或终止，因此反应快速，不到60秒就可以完成还原反应，还原率可以达到100%。与化学法合成的零价铁纳米颗粒还原二价镉离子相比，还原率提高43%。采用本发明提出的一种还原二价镉离子（Cd（II））的方法，可以高效去除环境中的镉污染，也能快速制备零价铁、铁氧化物和零价镉的纳米颗粒，具有良好的工业应用前景。

附图说明

图1无噬菌体介导条件下硼氢化钠还原合成的纳米零价铁电镜照片。

图2铁吸附特异性M13噬菌体介导合成的纳米零价铁（Fe-M13(Fe-s)）电镜照片。

图3镉离子在镉吸附特异性噬菌体上的吸附和均匀分散；A，镉吸附特异性噬菌体M13(Cd-s)在电镜下的原始形貌；B，镉特异性噬菌体M13(Cd-s)吸附镉离子后在电镜下的形貌。

图4采用铁特异性M13噬菌体介导的纳米零价铁（Fe-M13(Fe-s)）高效还原镉特异性噬菌体分散的镉离子（Cd(II)-M13(Cd-s)）。

图5无噬菌体介导条件下纳米零价铁还原二价镉离子的产物电镜照片。

图6两种噬菌体介导的Fe-M13(Fe-s)还原Cd(II)-M13(Cd-s)的产物电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1铁吸附特异性M13噬菌体介导的零价铁纳米颗粒合成

铁吸附特异性M13噬菌体的扩增：M13噬菌体十二肽展示肽库试剂盒（Ph.D.-12^TMPhageDisplayPeptideLibraryKit）和七肽展示肽库试剂盒（Ph.D.-7^TMPhageDisplayPeptideLibraryKit）从NEB公司购买。其中，十二肽和七肽表达在M13噬菌体一端5个拷贝的pIII蛋白N末端，复杂度为～2.7×10⁹个转化子。肽库中各噬菌体及野生型噬菌体周身2700个拷贝的pVIII蛋白N-末端序列均为N-Ala-Glu-Gly-Asp-Asp-Pro-Ala….。前期研究表明，这些M13噬菌体具有特异性吸附铁阳离子的能力（LingT,etal.Virus-mediatedFCCIronNanoparticleInducedSynthesisofUraniumDioxideNanocrystal.Nanotechnology,2008,19(11):115608-115613），称作铁吸附特异性M13噬菌体M13(Fe-s)。

试剂盒中提供的宿主大肠杆菌E.coliER2738，生长迅速，用于M13噬菌体的增殖。在四环素抗性平板上挑取ER2738单菌落至20mlLB培养基中，加20μl四环素（20mg/ml乙醇溶液），37℃，200rpm摇床培养12h左右（菌体处于对数前期），得到可供扩增噬菌体使用的大肠杆菌ER273的菌液。将菌液用无菌LB培养基（蛋白胨：10g/L酵母粉：5g/L,氯化钠：10g/L，pH7.0）进行1:100稀释后加入1μlNEB试剂盒中的原始肽库噬菌体，37℃，200rpm摇床培养4.5h至对数中期。将培养物分装至7ml离心管，每管盛装约5ml，4℃，10000rpm，离心10min。将上清液转移至新的离心管中，同样条件下再次离心。吸取上部的上清液（约4ml），转移到新的离心管，每管加入1/6体积（约700μl）的无菌聚乙二醇PEG/NaCl溶液（20%(w/v)PEG-8000，2.5MNaCl），抽吸混匀，4℃过夜沉淀噬菌体。离心15min，倒掉上清，再离心5min，吸去残留上清液。加入1ml无菌TBS缓冲液（50mMTris-HCl，150mMNaCl，pH7.5）重悬，离心5min，使残余细胞沉淀。将上清液转入新的1.5ml微量离心管，200μlPEG/NaCl再沉淀，冰上孵育60min。同样条件下离心10min，弃上清，再离心2min，吸去残余上清。将沉淀重悬在200μlTBS中，离心1min，沉淀任何残余的不溶物，即得到扩增后的铁吸附特异性M13噬菌体M13（Fe-s）。

M13噬菌体介导的纳米零价铁颗粒合成：取1mlM13(Fe-s)噬菌体的TBS缓冲液（噬菌体滴度为1011Pfu），室温条件下与1mlFeCl2溶液（4mM）混合5～10min，再加入1ml浓度为4mM的NaBH4溶液还原，静置10min。即可得到均匀分散在M13(Fe-s)表面的纳米零价铁小颗粒，如附图2所示，颗粒直径仅为5～10nm，且未发生团聚。在无M13噬菌体条件下，直接将1mlFeCl2溶液（4mM）与1ml浓度为4mM的NaBH4溶液混合，即可得到化学法制备的纳米零价铁颗粒，如附图1所示，铁纳米颗粒直径约为100～200nm。

实施例2镉吸附特异性的基因工程噬菌体M13(Cd-s)构建

具有镉吸附特异性的7肽淘选：使用购自NEB公司的M13噬菌体pIII蛋白七肽展示肽库试剂盒（Ph.D.-7TMPhageDisplayPeptideLibraryKit），进行镉吸附特异性的多肽淘选。镉金属块购自国药化学试剂有限公司（上海）。将镉金属小块置于装有200μl含0.1%吐温-20的TBST缓冲液的小离心管中，加入10μl7肽的原始肽库，震荡结合60min。倒掉缓冲液，采用200μl的0.1%吐温-20的TBST缓冲液对金属块进行10次清洗，只有与Cd结合力较强的噬菌体才能保留在金属块上。再将金属块放入200μl含20mMCd离子的TBS缓冲液中进行竞争性洗脱。将洗脱得到的噬菌体按照如实施例1所述方法进行扩增。将TBST缓冲液中的吐温-20浓度增加到0.3%，采用同样方法完成第2轮淘选。进一步将TBST缓冲液中的吐温-20浓度增加到0.5%来进行第3次、第4次和第5次淘选，最终获得的M13噬菌体具有与金属镉的特异性结合能力。使用试剂盒EZgeneTMPlasmidMiniprepKit(BIOMIGA)提取60个获得的M13噬菌体中的M13KE质粒，使用5’-GTATGGGATTTTGCTAAACAAC-3’为测序引物，对M13KE载体上的pIII蛋白基因（gIII）的N-末端（北京诺赛公司，SinoGenoMax(Beijing)Co.,Ltd）进行测序，得到如下9个反复出现的Cd特异性吸附多肽：SEQIDNO:1，SCPICPG；SEQIDNO:2，CLDPVCA；SEQIDNO:3，YVDRSEH；SEQIDNO:4，MPHQLIC；SEQIDNO:5，EAHTQPA；SEQIDNO:6，DTYFVYC；SEQIDNO:7，PIRPRPL；SEQIDNO:8，CPTASRP和SEQIDNO:9，QDVPHIG。

镉吸附特异性的7肽在M13噬菌体p8衣壳蛋白表面的重组展示：采用内切酶PstI（15U/μl，购自TaKaRaBiotechnology，Dalian）对重组M13KE噬菌体载体（Maoetal.Virus-BasedToolkitfortheDirectedSynthesisofMagneticandSemiconductingNanowires.Science.2004,303:213-217）进行酶切，反应体系为：PstI，1μl；10×HBuffer，2μl；重组M13KE，1μg；加无菌水至总体积20μl，37℃，反应2小时。将PstI酶切后的重组M13KE载体进行链式聚合酶反应（PCR）扩增，引物序列为：。PCR体系为：LATaq聚合酶，5U/μl，0.5μl；10×LAPCRBuffer，5μl；dNTPs，8μl，PstI酶切液，1ng，引物1，序列为：AGGGTGAGGATCCCGCAAAA，20μM，1μl；导入镉特异性吸附多肽序列SEQIDNO:1的引物2，序列为：CTACTACAAGGATCCCCCGGACAAATCGGACAGCTGCCTGCAGCGAAAGACAGCATCGGAACGAG，20μM，1μl；补足无菌水至50μl。94℃，5min后，94℃，30S，55℃，30S，72℃，7min，30个循环。4℃保藏。扩增获得的基因产物采用BamHI降解，反应条件同前，只将缓冲液替换为10×KBuffer。使用T4DNA连接酶，常规条件下16℃过夜连接。将10ng连接产物转入E.coliER2738的感受态细胞，加入1mlSOC培养基（蛋白胨，20g/L；酵母粉，5g/L；氯化钠，0.5g/L，氯化钾，0.186g/L，氯化镁，0.95g/L；葡萄糖，3.6g/L，pH7.0），37℃孵育30min。将重组细胞转入45℃顶层琼脂（每升含10gBacto-Tryptone，5gYeastextract，10gNaCl，1gMgCl₂·6H₂O，7g琼脂粉。）混合，再立刻转移到加入异丙基硫代-β-D-半乳糖苷（IPTG）和5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactoside（X-gal）（50mgIPTG，40mgX-gal，溶于1ml二甲基甲酰胺）的LB固体平板。重组成功的噬菌体在平板上生长后呈蓝色噬菌斑。采用分子克隆标准方法提取噬菌体DNA（SambrookJ等，MolecularCloning:ALaboratorymanual，ColdSpringHarbor,NY:ColdSpringHarborLaboratoryPress.1989），测序验证了SEQIDNO:1在pVIII蛋白末端的正确插入。获得了pVIII蛋白N-末端为SCPICPG的镉吸附特异性基因工程M13噬菌体M13(Cd-s)。

采用上述基因工程实验的操作，获得pVIII蛋白N-末端为SEQIDNO:2，CLDPVCA以及SEQIDNO:3-NO：9的镉吸附特异性基因工程M13噬菌体。其中，相应的引物2序列分别为：

SEQIDNO:2（CLDPVCA），ACTACAAGGATCCGCACAAACCGGATCCAGACATGCAGCGAAAGACAGCAT；

SEQIDNO:3（YVDRSEH），ACTACAAGGATCGTGTTCAGATCGGTCTACGTATGCAGCGAAAGACAGCAT；

SEQIDNO:4（MPHQLIC），ACTACAAGGATCGCAGATGAGTTGGTGCGGCATTGCAGCGAAAGACAGCAT；

SEQIDNO:5（EAHTQPA），ACTACAAGGATCTGCCGGTTGTGTGTGTGCTTCTGCAGCGAAAGACAGCAT；

SEQIDNO:6（DTYFVYC），ACTACAAGGATCGCAGTATACGAAGTATGTGTCTGCAGCGAAAGACAGCAT；

SEQIDNO:7（PIRPRPL），ACTACAAGGATCGAGCGGTCGCGGTCGGATCGGTGCAGCGAAAGACAGCAT；

SEQIDNO:8（CPTASRP），ACTACAAGGATCCGGTCGAGATGCTGTCGGGCATGCAGCGAAAGACAGCAT；

SEQIDNO:9（QDVPHIG），ACTACAAGGATCGCCGATGTGCGGTACGTCTTGTGCAGCGAAAGACAGCAT。

镉吸附特异性重组M13噬菌体对镉离子的吸附效果：将滴度为10¹¹Pfu的镉吸附特异性基因工程噬菌体M13(Cd-s)（pVIII蛋白N-末端肽段为SEQIDNO:1）溶于200mlofTris-HCl(pH7.5)，再与200ml浓度为2mM的氯化镉（XilongChemicalEngineeringCompany,Ltd.,China）溶液均匀混合5min。采用0.22μm无菌滤膜(SartoriusStedimBiotech)分离噬菌体，采用等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定溶液中的残余镉离子浓度仅为10%，即90%的二价镉离子都吸附在了M13(Cd-s)表面。对原始噬菌体和吸附了镉离子的噬菌体进行电镜观察，结果如图3A和3B所示。吸附了二价镉离子的M13(Cd-sp)在电子显微镜下的衬度显著增强。

重复上述方法进行实验，将镉吸附特异性基因工程噬菌体M13(Cd-s)（pVIII蛋白N-末端肽段分别为SEQIDNO:2-NO：9）对镉离子的吸附效果进行检测，结果为，pVIII蛋白N-末端肽段为SEQIDNO:2-NO：9肽段的基因工程噬菌体具有同pVIII蛋白N-末端肽段为SEQIDNO:1的镉吸附特异性基因工程噬菌体M13(Cd-s)相同的镉特异性吸附能力。

实施例3M13(Fe-sp)介导合成的零价纳米铁高效还原M13(Cd-s)分散的二价镉离子

如实施例1所示，常温常压条件下合成M13(Fe-s)介导的纳米零价铁。然后取100μL配制好的CdCl₂（500μM）水溶液，向其中加入100μL甲基二甲酚蓝（0.125%）水溶液，待颜色稳定后再加入如实施例2所述、约10¹¹pfu的M13(Cd-s)，混匀即得M13(Cd-s)分散的二价镉离子。将M13(Fe-s)介导合成的零价纳米铁作为还原剂，常温常压下进行M13(Cd-s)分散的镉离子的还原反应。二者在分光光度计的比色皿中充分混合后，立即于605nm处测量吸光度。吸光度变化由甲基二甲酚蓝的颜色变化产生，表征溶液中剩余的镉离子的含量，结果如附图4所示。反应45s时，两种M13噬菌体双分散介导还原的反应体系内，镉离子就已经反应完全，还原率达到100%。同样条件下，进行无噬菌体介导的零价纳米铁对二价镉离子的还原反应，测得还原率仅为57%。利用透射电子显微镜对还原后的产物进行观察，结果表明，无噬菌体条件下，还原产物为不规则无定形结构，如图5所示。在M13(Fe-s)和M13(Cd-s)两种噬菌体介导的双分散还原条件下，还原产物分别沉积在两种噬菌体的表面，形成线状的纳米结构，如附图6所示。

重复上述方法进行实验，将镉吸附特异性基因工程噬菌体（pVIII蛋白N-末端肽段分别为SEQIDNO:2-NO：9）分别与镉离子进行吸附分散后，采用M13(Fe-s)介导合成的零价纳米铁对分散在上述噬菌体表面的二价镉离子进行还原，结果表明，在60s时，还原率均为100%。即pVIII蛋白N-末端肽段为SEQIDNO:2-NO：9肽段的基因工程噬菌体在镉离子的还原反应中具有同pVIII蛋白N-末端肽段为SEQIDNO:1的镉吸附特异性基因工程噬菌体M13(Cd-s)相同的均匀分散及加速还原反应的效果。

Claims

1.一种M13噬菌体介导的纳米铁还原镉离子的方法，其特征在于，于常温常压下，首先采用铁吸附特异性M13噬菌体制备M13噬菌体表面分散的纳米零价铁，再采用镉吸附特异性M13噬菌体制备M13噬菌体表面分散的二价镉离子，最后将上述M13噬菌体表面分散的纳米零价铁作为还原剂，与M13噬菌体表面分散的二价镉离子混合，实现镉离子的还原；所述M13噬菌体表面分散的纳米零价铁的制备方法为：将溶解在pH7.5的Tris-HCl缓冲液中的铁吸附特异性的M13噬菌体与氯化亚铁溶液混合后，再经硼氢化钠还原得到；所述M13噬菌体表面分散的二价镉离子的制备方法，是将溶解在pH7.5的Tris-HCl缓冲液中的镉吸附特异性的M13噬菌体与二氯化镉溶液均匀混合，得到M13噬菌体表面分散的二价镉离子。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁吸附特异性M13噬菌体为pVIII衣壳蛋白未经改造的M13噬菌体。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述pVIII衣壳蛋白未经改造的M13噬菌体为野生型M13噬菌体或者末端5个拷贝的PIII蛋白插入十二肽或七肽的重组M13噬菌体。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镉吸附特异性M13噬菌体为pVIII衣壳蛋白N-末端具有镉吸附特异性七肽的基因重组M13噬菌体。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的镉吸附特异性七肽的氨基酸序列如序列表中SEQIDNO:1所示。