科學家應用同步輻射技術揭示納米材料蛋白質冠界面結構

　　納米材料進入機體后，不可避免會吸附體液中的蛋白質分子，形成納米材料-蛋白質冠(nanoparticle-protein corona)，對納米材料生物學效應及其生物醫學應用產生重大影響。因此，研究納米材料與蛋白質作用的界面結構有著重要意義。

　　目前，如何解析納米材料與蛋白質作用的界面結構仍然面臨著諸多挑戰。雖然圓二色譜、核磁共振、X射線晶體衍射等方法均為蛋白質結構研究的重要手段，但在界面結構解析上存在諸多局限。

　　為了解決該難題，國家納米科學中心陳春英課題組與吳曉春課題組及中科院高能物理所李敬源課題組合作，應用多種同步輻射技術研究了納米材料-蛋白質作用。應用X射線吸收近邊結構研究了模型蛋白質牛血清白蛋白(BSA)與金納米棒的結合方式，通過解析結合前后硫元素的化學形態并結合分子動力學理論模擬，首次揭示了BSA分子中至少有6對二硫鍵被打開，形成了BSA與金表面識別與結合的特定界面(plane S)，通過Au-S鍵構成了牢固吸附的蛋白質冠。應用同步輻射微束x射線熒光光譜研究了金納米棒-BSA復合體在細胞內的轉運和降解過程，發現牢固吸附的蛋白質冠對金納米棒表面的CTAB雙層結構形成物理屏蔽，顯著降低了其損傷細胞膜所造成的急性毒性和壞死;在細胞內蛋白質冠降解，CTAB雙層重新暴露增加了溶酶體膜的通透性，最終誘導細胞凋亡。該研究將同步輻射分析方法和理論模擬有機結合，為研究納米材料-蛋白質界面作用及生物學效應提供了重要的方法學，該結果發表于近期《美國化學會會志》 (J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 17359-17368.)。

圖1. 結合同步輻射分析技術和分子動力學模擬解析納米材料形成蛋白質冠的界面結構。

　　此外，研究人員還研究了納米材料表面化學如何影響納米材料-細胞膜界面作用及其效應。傳統觀念認為，納米材料表面的正電荷導致細胞膜損傷和細胞毒性，該研究對此提出了質疑，發現在納米材料吸附于細胞膜并破壞膜結構的過程中，納米材料表面的分子類型及排列結構而非表面電荷起主要作用(Nanoscale 2013, 5, 8384)，提示了納米材料-生物膜界面相互作用的多樣性和復雜性。

　　近年來，陳春英課題組利用同步輻射與核分析技術針對多種典型納米材料開展了系統的研究，建立了研究納米材料生物效應的多學科集成方法學。在微觀水平上，研究了納米材料-生物分子、生物膜界面的作用;在宏觀水平上，研究了納米材料在生物體內的轉運、蓄積、化學形態轉變及其生理病理學效應 (Anal. Bioanal. Chem. 2010, 396, 1105; Nano Lett. 2011, 11, 772; Nano Lett. 2011, 11, 3174; PNAS 2011, 108, 16968; PNAS 2012, 109:15431; Adv. Mater. 2013, 25, 5928; Adv. Mater. 2013, 25, 3869; Acc. Chem. Res., 2013, 46, 702)。2010年，課題組應邀英國皇家化學會RSC Publishing主編了圖書專著Nuclear Analytical Techniques for Metallomics and Metalloproteomics，系統介紹了先進核分析技術及其應用，并積極推進這些方法在納米生物學領域的應用，得到國際同行的密切關注和好評，也再次受英國皇家化學會邀請撰寫了綜述文章“先進核分析技術在納米毒理學中的應用”(Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 8266-8303)，系統地總結了先進核分析技術在納米材料表征、納米-生物界面結構分析、納米材料在細胞內的可視化研究、納米材料在生物體內的分布、蓄積與轉化等方面的應用。

圖 2 利用先進核分析及多學科集成技術解決納米生物效應研究中的的瓶頸問題

　　本研究是在大科學裝置(北京同步輻射裝置、上海光源)和日本筑波KEK光子工廠的大力支持下完成的，并得到了中國科學院、國家科技部、國家自然科學基金、歐盟第七框架計劃的資助。