纳米粒子/蛋白界面作用的调控机制研究

生物分子在纳米粒子表面的高效定向连接是纳米粒子在生物技术领域应用所必须解决的关键问题之一。本研究拟以金纳米粒子和辣根过氧化酶（HRP）为模型体系，通过对金纳米粒子的系统表面修饰，调控纳米粒子与HRP的界面作用位点和作用强度，考察界面作用位点和作用强度对HRP构象和催化活性的影响，从分子水平上理解界面作用的调控规律及其对蛋白空间构象及活性的影响，为纳米粒子在生物技术特别是临床重大疾病早期诊断的应用提供理论和实验依据。

生物分子在纳米粒子表面的高效定向连接是纳米粒子在生物技术领域应用所必须解决的关键问题之一。本研究以金纳米粒子为模型体系，从三肽（谷胱甘肽）、多肽（聚谷氨酸）和功能蛋白酶（HRP）三个不同层次，由简单到复杂，围绕结构与活性相关的界面弱相互作用，系统考察了纳米粒子与生物分子的界面作用及其对生物分子功能的影响，为分子水平上理解和解析纳米粒子/蛋白界面作用的调控规律及其对蛋白空间构象及活性的影响，为纳米粒子在生物技术特别是临床重大疾病早期诊断的应用提供理论和实验依据。主要研究进展包括：（1）谷胱甘肽修饰金纳米粒子的聚集行为是由游离的氨基酸残基和金属离子的配位作用强度决定的，其主要与金属离子种类和体系pH值相关，该研究为深入理解金纳米粒子表面金属离子相关的酶催化和失活机制提供了有益的启示。（2）谷胱甘肽修饰荧光金纳米粒子表面氨基酸残基质子化过程，可诱导荧光纳米粒子从游离分散态向规则的三维球形体转变，与此对应的发光性质具有环境敏感性，为我们研究纳米粒子与蛋白之间静电、范德华力、偶极、疏水等弱相互作用的协同提供了一种新的途径。（3）富含羧基的聚谷氨酸与金属离子配位作用，会影响金纳米粒子表面多肽分子内和分子间氢键的形成。聚谷氨酸修饰金纳米粒子的聚集行为由多肽－多肽之间不同弱相互作用主导，可由氢键与配位两种相互作用竞争与切换。金纳米粒子光谱和颜色的改变与多肽构象变化密切相关，可用于研究构象相关弱相互作用。（4）揭示了辣根过氧化酶与金纳米粒子结合过程引起辣根过氧化酶活性降低的结构因素，表明辣根过氧化酶的失活过程不仅与其二级结构相关，而且与三级结构和活性中心血红素的配位环境密切相关，通过结构和活性关系之间的理解，为进一步调控纳米粒子／蛋白界面相互作用，改善复合体的生物活性奠定了基础。（5）通过在Au-HRP复合物表面引入牛血清白蛋白（BSA），可以大大提高金纳米粒子结合HRP的活性（提高到80%以上）。光谱研究表明BSA的引入可以有效抑制金纳米粒子表面HRP活性中心周围肽链三级结构的改变，其是提高金纳米粒子表面HRP活性的前提条件。稳态动力学分析表明BSA的引入尽管会导致对底物亲和性的略微降低，但会有效促进底物－产物转化速率，也有利于金纳米粒子表面HRP催化活性的提高。