蛋白转运肽引导纳米分子首次进入亚细胞结构（2020.4.28 Plant Biotechnology Journal）

植物纳米生物技术逐渐发展成为一项研究热门，它利用工程纳米材料作为载体，向植物组织或器官输送遗传物质（DNA）、生化分子、营养元素和杀虫剂等，达到对植物进行遗传改良或功能改造的目的。遗传转化可以使植物获得相似的功能，但是操作过程相对繁琐，组织培养周期较长，甚至再生材料具有器官缺陷性。有些植物缺乏能够高效再生的受体材料，或者只有有限的受体材料，从而限制了植物基因工程的廣泛应用。而工程纳米材料介导的细胞器水平的分子运输，可以打破植物物种基因型的限制，促进对植物的改良。

2020年4月27，Nature Communications 在线发表了加州大学河滨分校Juan Pablo Giraldo课题组题为“Targeted delivery of nanomaterials with chemical cargoes in plants enabled by a biorecognition motif.”的研究成果，该研究将纳米分子材料结合蛋白信号肽，特异地将化合物分子运送到叶绿体细胞器中。

为了能够特异地将纳米粒子输送到叶绿体细胞器中，作者比较了多个双子叶植物的Rubisco small subunit 1 A（RbcS）的蛋白序列，发现它们N端的转运肽非常保守，它能够被叶绿体外膜上的TOC159识别并介导这一类蛋白进入叶绿体内腔。基于这一特点，作者截取了RbcS蛋白N端保守的14个氨基酸，连接到纳米粒子上形成Chl-QD纳米载体，该纳米颗粒在共聚焦纤维镜下能够被激发并发射以540nm为峰值的荧光，因此可以用显微镜追踪纳米粒子在植物组织或者亚细胞结构的位置。在Chl-QD上分别连接抗坏血酸（Asc）和甲基紫精（MV）分子，形成的Asc-Chl-QD和MV-Chl-QD纳米分子复合物可以直接注射到完整的拟南芥叶片。通过系列实验，作者验证了两种纳米粒子复合物的完整性，并且在RbcS转运肽的作用下，Asc和MV分子被成功输送到叶绿体中，两种分子分别抑制和激活了叶绿体内的氧化还原状态（图1）。

该研究应用纳米粒子首次将生化分子运输到亚细胞结构的细胞器中，为植物中特异细胞器结构的纳米生物技术打下基础。同时，纳米粒子的荧光显微观察，有助于实时地和动态地观察叶绿体内的氧化还原状态。