纳米科技在生物体系中的应用对纳米材料的制备、加工技术提出了越来越高的要求。然而,随着对自然界认知的不断深入,人们发现很多生物体自身就具有合成、组装纳米材料的潜在能力。这些发现为化学和生物学在更深层次上的交叉找到了突破口,更为实现生物学促进化学发展提供了契机。生物合成纳米材料有效避免了传统合成方法中的一些剧烈条件,并以自然界中丰富的生物多样性为基础,极大地扩充了纳米材料合成的原料库,从而为纳米材料的制备、加工和组装提供了新的思路和借鉴。本课题组从一个新的角度出发,提出了细胞内纳米材料合成的“时-空耦合策略(temporally-spatially coupling strategy)",即通过在时间和空间上耦合原本互不相关的Na2Se03和CdCl2代谢途径,实现了荧光CdSe量子点在酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)细胞中的可控合成。这种“时-空耦合策略”不仅需要合理考虑如何利用细胞内复杂的生物过程产生合成所需的基本原料,更需要考虑原本不相关的过程以及合成“场所”之间的相互协调,同时还成功地融入了人为设计的理念。此外,由“时-空耦合策略”扩展出的“准生物体系(quasi-biosystem)"还实现了多种不同类型溶度积常数非常小的小尺寸纳米材料的可控合成。因此,CdSe量子点的胞内合成体系是发展纳米材料可控合成、理解生命过程和无机纳米材料形成关系的重要模型体系。本论文拟在课题组前期关于活细胞合成CdSe量子点工作的基础上,从建立细胞内CdSe量子点合成机理的研究方法入手,对CdSe量子点胞内合成所涉及的部分生物过程机理进行探索。通过将酵母细胞研究技术与生物合成CdSe量子点的表征技术相结合,在以下几个方面开展了工作：(1)通过分析不同类型培养基和酵母生长时期对CdSe量子点生物合成的影响,确立了CdSe量子点生物合成机理的研究体系；通过改进细胞裂解条件,以及探讨不同类型、浓度的表面活性剂对CdSe量子点在水溶液中分散性和稳定性的影响,优化了胞内CdSe量子点的提取方法；以上方法的建立为表征和分析胞内合成CdSe量子点,探究其生物合成机理奠定了技术基础；(2)对生物合成CdSe量子点的表面包覆蛋白质组成进行了鉴定,并以其结果的生物信息学分析作为出发点,从物质、能量两个方面分别探讨了CdSe量子点的胞内合成过程,阐述了核糖体蛋白和生物能在胞内CdSe量子点合成过程中的作用机制,为生物大分子和生物能在“准生物体系”中的应用提供了初步理论基础；(3)从遗传学和基因表达角度证明了谷胱甘肽代谢在控制CdSe量子点胞内合成产率中的重要作用,并阐述了其在“时-空耦合策略”中的调控机制；基于机理认识,通过酵母的分子遗传学技术,实现了胞内CdSe量子点生物合成产率的控制,从而使酵母在单细胞水平上转变成为了更加高效的“细胞工厂”,为进一步开发细胞代谢用于纳米材料的可控合成提供了范例。