垂直碳纳米管作为载体在生物细胞学中的研究进展

垂直碳纳米管作为载体在生物细胞学中的研究进展

冯悦  吴洁慧  张悦  商敬敏  黄佳欣

齐鲁师范学院  山东济南    250222

摘要：垂直碳纳米管（VACNT）阵列所具有的排列良好、高比表面积、优异导电导热能力及高纯度等优点，使其在医学、工业、能源等领域得到了广泛应用。此外，VACNT在农业上所得到的广泛关注和应用，主要得益于自身优异的跨膜能力和吸附效应等优点。但是，其在植物递送外源基因中的研究还存在一些空白。本文综述了VACNT作为新型植物遗传转化方法的作用途径以及VACNT芯片介导外源基因的方法，旨在为垂直碳纳米管的植物性状改良技术创新提供一些新思路或参考。

关键词：垂直碳纳米管；载体；生物细胞学 

垂直碳纳米管阵列（vertically aligned carbon nanotube，VACNTs）是在范德瓦尔斯力的作用下，由碳管紧密垂直排列所形成的宏观结构[1]。VACNT是一种新型的纳米材料，其取向一致，排列整齐，与传统碳纳米管的随机、杂乱无章、弯曲扭折生长的特性大相径庭。其次，VACNT独特的高比表面积，更优异的导电、热学性能等，使其广泛应用于超级电容器电极[2]、传感器[3]、橡胶材料和吸波材料等领域，但在生物细胞学方面的应用却有待发掘。

基因工程是基因功能研究和植物遗传改良的重要方法。近年来，随着现代生物技术的不断完善和飞速发展，新型的植物遗传转化技术逐渐走入人们的视野，植物基因工程研究也逐渐受到社会关注。虽然，目前的植物基因工程已经被广泛应用到植物的遗传改良中，但由于面临重大瓶颈--将外源遗传物质通过细胞壁传递到受体细胞中，在大多数植物品系中仍然难以进行基因改造。

1.垂直碳纳米管优势

植物基因工程广泛使用的传递外源基因的方法主要有农杆菌介导法、基因枪法。其中农杆菌介导法具有物种依赖性，自然条件下主要感染双子叶及裸子植物，对大多数单子叶植物没有感染能力，同时其转化效率通常相对较低。而基因枪法则存在成本高、转化效率低、常产生随机整合、易造成组织损伤的问题[4]。

随着植物基因工程的不断发展，碳纳米管、细胞穿透肽、PEG等载体介导的新型植物遗传转化方法得到人们的关注，与基因枪法等传统的转化方法相比，这些方法周期更短，操作更简单[5]。其中垂直碳纳米管载体的出现，为植物基因工程的发展提供了新的思路与方向。该方法无宿主限制性，转化物种范围广，适用于单、双子叶植物，简单、快速、高效、易于操作、细胞毒性低且可递送多种生物分子，作为新型植物遗传转化方法在生物细胞学领域具有广阔的发展前景。

2.垂直碳纳米管与DNA/RNA的相互作用

VACNT介导的DNA/RNA递送具有瞬时转化率高的特点，与传统植物DNA递送和小干扰RNA（siRNA）施用方法不同，而且前者还可以保证多核苷酸避免核酸降解酶的干扰。基因的“装载”是垂直碳纳米管用于DNA/RNA递送的关键。目前实现dsDNA/dsRNA递送主要有两种形式，其中一种是，先使用聚合物修饰VACNT，然后通过形成络合物或电荷吸附作用等方式将dsDNA或dsRNA固定在VACNT表面。另一种是，先将两条互补的ssDNA或ssRNA分别缠绕到垂直碳纳米管的表面形成混合物，当混合物进入细胞后，ssDNA或ssRNA与VACNT解吸附后形成dsDNA或dsRNA2[8]。

3.垂直碳纳米管芯片介导外源基因方法

3.1植物上介导的染料/DNA传递

将1μl的染料/DNA溶液液滴置于叶片表面，并将垂直碳纳米管芯片至于液滴顶部。用镊子将芯片轻轻插入组织中。坚硬的衬底被移除，在组织中留下纳米纤维[9]。

3.2片上纤维介导的DNA传递

将1μl的染料/DNA溶液滴在垂直碳纳米管芯片上干燥15分钟。将半干燥DNA的芯片放置在叶片表面顶部，并将其轻轻插入组织中[9]。

3.3片上SU-8膜DNA传递

纤维从刚性硅衬底转移到柔性SU-8衬底。将1μl的染料/DNA溶液滴在VACNT膜上，干燥十分钟。然后用化妆器将带有半干燥染料/DNA溶液的VACNT膜滚到弯曲的植物表面[9]。

4.展望

垂直碳纳米管芯片的发现及应用不仅有助于碳纳米管等纳米材料在植物领域新技术的研发，而且为传统载体介导提供了新技术。总之，未来随着对垂直碳纳米管转化机制的深入研究，可探索更多无物种限制且转化效率更高的载体介导。可以预见，垂直碳纳米管在植物基因工程细胞生物学领域将发挥更大的作用。

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[9]Jessica M. Morgan, Joanna Jelenska , Dale K. Hensley, et al.Using Vertically Aligned Carbon Nanofiber Arrays on Rigid or Flexible Substrates for Delivery of Biomolecules and Dyes to Plants[J]. Vis. Exp, 2023, 97(1)：e65602.

作者简介：冯  悦，女，汉，枣庄滕州，04.04，本科，学生，园林。

吴洁慧，女，汉，聊城临清，04.10，本科，学生，化学(师范类)。

张  悦，女，汉，临沂兰陵，05.01，本科，学生，化学（师范类）。

指导老师：商敬敏，女，汉，菏泽巨野，89.12，硕士，生物化工。

黄佳欣，女，汉，济南历下区，97.05，硕士，辅导员。