nC60与血清白蛋白/血红蛋白界面相互作用的分子机制

The interaction of nanomaterials with biological macromolecules such as protein is an essential part of nano-biomedicine. As one of the important carbon nanomaterials, the binding of nC60 with some proteins has been widely reported. However, the morphology of nC60 nanoparticles and the protein models selected by different research groups are different from each other, which might result in controversial results between different groups. It is difficult to sum up the general rules and the molecular mechanisms of the interactions still remains unclear. Based on the above, through the investigation of the interactions between nC60 nanoparticles with different morphology characteristics and serum albumin/hemoglobin, such as the binding information, the changes of protein structure and function caused by nC60 nanoparticles, the proten absorption, the aggregation of nC60 and surface properties of nC60, this works aims to obtain the theoretical models of the binding of nC60 to serum albumin/hemoglobin and the general rules and molecular mechanisms of the interactions. The implementation of this subject is expected to provide reference for the interaction between nanoparticles and protein, the biological effect and safety evaluation of nanomaterials and the application of nanomaterials in biomedicine.

纳米材料与蛋白质的界面相互作用是纳米生物医学领域重要的科学问题。作为一种重要的碳纳米材料，尽管nC60纳米颗粒与一些蛋白质的相互作用已有较多相关报道，但由于不同课题组所使用的nC60的形貌特征及选择的蛋白模型各不相同，导致实验结果并不完全一致（项目组前期工作也证实了这一点），难以归纳两者界面相互作用的一般规律，迄今两者界面相互作用的分子机制并不明确。基于此，本项目拟利用不同形貌特征的nC60，以血清白蛋白/血红蛋白作模型蛋白，对nC60与两种蛋白的结合信息、蛋白结构和运输功能的改变、蛋白在nC60上的的吸附及其对nC60聚集及表面性质的影响等进行比较和分析，建立两者结合作用的理论模型，归纳总结未修饰C60与两种蛋白作用的一般规律，并深入探讨其分子机制。课题的实施可望为纳米材料和蛋白质的界面相互作用研究提供方法指导，为纳米材料的生物安全性评价及推进纳米材料在生物医学的应用提供一定理论依据。

纳米材料与蛋白质的界面相互作用是纳米材料生物安全性研究的重要内容。本项目以未修饰C60纳米颗粒（nC60）为研究对象，以血红蛋白（BHb）和血清白蛋白（HSA/BSA）为模型蛋白，主要以多种光谱技术研究nC60与两种模型蛋白之间界面相互作用的一般规律和主要影响因素。由于未修饰C60难溶于水，为在水相体系中研究两者的界面相互作用，对nC60纳米颗粒的不同制备方法进行了研究和比较后，本项目主要采用溶剂置换和直接超声法结合离心法获得不同形貌特征的nC60纳米颗粒并利用多种技术手段进行表征，采用紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、圆二色光谱、拉曼光谱等技术结合数学运算研究其与两种模型蛋白的相互作用情况，并对蛋白质结构和构象的影响进行了研究，寻找影响nC60纳米颗粒与蛋白质界面相互作用的主要影响因素及一般规律。结合前期研究，本项目发现：采用不同的制备方法，可以获得不同形貌特征的nC60纳米颗粒，它们与模型蛋白相互作用的区别推测主要来自nC60粒径的差异；进一步采用离心方法获得不同粒径的nC60纳米颗粒，通过研究它们与两种模型蛋白的相互作用情况（结合常数、结合位点数等），发现nC60纳米颗粒粒径越小，其与两种模型蛋白的结合能力越强，对蛋白质结构和构象的影响也越大，且对不同蛋白，nC60纳米颗粒粒径对其与两种模型蛋白结合作用的影响趋势一致，但作用力大小不同；进一步扣除可能影响两者结合作用的影响因素（主要为荧光内滤效应），发现粒径影响界面相互作用的规律不变，但作用力降低，进一步精确计算了不同粒径的nC60纳米颗粒与不同模型蛋白结合作用的各类信息（结合常数、作用类型、结合位点数等），初步得到了两者界面相互作用的一般规律，对两者之间的结合情况进行了推测，并通过实验对较大粒径的nC60与模型蛋白的界面作用进行了验证。该工作可望为包括nC60在内的纳米材料的设计及在分子层面上评价纳米材料的生物安全性提供理论依据，为纳米材料在生物医药领域的应用提供科学依据。