蛋白質與生物納米材料相互作用的動力學機制研究

《蛋白質與生物納米材料相互作用的動力學機制研究》是依託上海大學，由曹傲能擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：蛋白質與生物納米材料相互作用的動力學機制研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：曹傲能
• 依託單位：上海大學

中文摘要

納米材料進入生物體後將立即與各種蛋白質相互作用，並在納米材料表面形成被稱為蛋白冠的包裹層，由此產生的生物效應是納米材料生物醫學套用及其生物安全性評估的一個關鍵問題，因而納米粒子與蛋白質相互作用研究近年來受到廣泛關注。然而目前相關研究主要集中在熱力學方面，動力學特別是快速動力學研究非常缺乏，而納米粒子與蛋白質相互作用是一個動力學決定過程，動力學研究更為關鍵因而急待開展。本項目擬在前期工作基礎上，開展蛋白質與納米粒子相互作用的快速動力學研究：通過停流技術實現納米粒子與蛋白質的毫秒級混合，通過精確控制包裹層厚度的螢光二氧化矽納米粒子和與之結合的第一層蛋白質之間的螢光共振能量轉移研究相互作用動力學規律，闡明對納米粒子體內命運影響最大的硬蛋白冠的形成與解離機理，探索影響蛋白冠形成的因素及機制，並以此為指導初步探索納米粒子表面與蛋白質特異性結合的功能設計，以期抑制硬蛋白冠的形成，提高納米藥物的靶向性。

結題摘要

納米粒子與生物系統中蛋白質之間的相互作用是事關納米材料生物安全和生物醫學套用的重要基礎問題。一般來說，納米材料的潛在生物危害通常與納米粒子-蛋白質的非特異性相互作用有關，而納米材料的生物醫學套用則往往需要發展特異性的納米粒子-蛋白質相互作用以實現特定的生物醫學目的，如納米藥物的主動靶向。因此，納米材料生物醫學套用的關鍵在於避免普遍存在的非特異性相互作用，同時開拓亟需的特異性相互作用。本課題以二氧化矽納米粒子和金納米粒子等典型納米粒子為研究對象，在精確控制納米粒子尺寸和表面功能基團的基礎上，重點闡明蛋白冠形成早期的納米粒子-蛋白質相互作用動力學（特別是蛋白質交換的動力學），以及特異性和非特異性的納米粒子-蛋白質相互作用的熱力學、動力學差異。我們還特別發展了一種構象工程方法，將天然抗體的CDR（互補決定區）肽重建到金納米粒子上，製備得到一種全新的納米人工抗體，我們稱之為金抗體（Goldbody）。金抗體比天然蛋白質抗體更穩定，同時不存在天然抗體需要人源化的問題，因而我們工作在PNAS發表後，立即被F1000Prime推薦，並為我們的技術專門造了一個詞“金化”（Goldization），以與“人源化”對應，暗示我們開發的新技術的潛在生物醫學套用潛力。同時，金抗體首次為研究特異性的與非特異性的納米粒子-蛋白質相互作用的差異提供了一個理想的系統，將金抗體上多肽的序列打亂，就得到完美的非特異性相互作用對照納米粒子，這樣一來，特異性和非特異性納米粒子幾乎完全一樣，包括納米粒子組成、形貌、及表面功能基團的組成（多肽胺基酸組成完全一樣，只是序列不同）。利用這一系統，我們運用SPR、Stopped-flow等技術，揭示了特異性和非特異性NP蛋白相互作用在熱力學和動力學上的顯著差異。本課題完成了預定研究內容，發表SCI論文14篇，申請發明專利12項，獲得專利授權2項。課題完成期間，1名學生獲得博士學位，12名學生獲得碩士學位，課題負責人以第三完成人獲得了2018年度國家自然科學二等獎。