纳米界面蛋白质分子作用机制研究

The interaction mechanism of nanoparticles with proteins in nano-interfaces is a very hot topic in multi-disciplinary areas, such as physics, chemistry, biology, medicine and material science. In this project, based on the synthesis of gold nanoparticles with different sizes and different modification groups, the binding mechanism and the thermodynamic driving factors for the interaction of nanoparticles with proteins in nano-interfaces are investigated by combined macroscopic (ITC, UV-Vis absorption, fluorescence spectroscopy) and microscopic (CD, DLS, SEM) methods. On the basis of these results, we will build a thermodynamic model for the interaction of gold nanoparticles with proteins. The effects of size and modification groups of gold nanoparticles on the interaction are examined in detail. The changes of protein conformation and gold nanoparticles aggregation in nano-interfaces, as well as the influence factors of these changes are analyzed. Furthermore, the potential cause-effect relationships of the microstructure changes are also determined from the viewpoint of thermodynamics. These results will provide some new insights into the functionalization and safe application of nanoparticles in biological and medical areas.

纳米界面蛋白质分子作用机制的研究是一个涉及物理、化学、生物、医学和材料科学等相关学科的热点课题。本项目拟在不同尺寸和不同表面修饰基团的纳米金调控合成的基础上,利用等温滴定量热（ITC）、紫外-可见吸收光谱、荧光光谱等宏观方法与圆二色谱（CD）、动态光散射(DLS)、扫面电镜（SEM）等微观技术手段相结合，系统地研究纳米界面上纳米粒子与蛋白质相互作用的热力学驱动因素和作用机制，从而建立它们之间相互作用的热力学模型。探讨纳米金尺寸和表面修饰基团对它们之间相互作用性质的影响，分析纳米界面蛋白质构象和纳米金聚集状态的变化及其影响因素，并从热力学角度确定引起这些变化的可能因果关系，为纳米粒子在生物和医学领域的功能化和安全应用提供科学依据。

本项目综合运用光谱、电子显微镜、动态光散射和微量热技术，系统、定量地研究不同尺寸的纳米界面蛋白质相互作用的机理、结合参数、热力学函数、蛋白质构象和纳米粒子的聚集状态的变化及其影响因素。运用荧光光谱、同步荧光光谱、紫外-可见吸收光谱和圆二色谱分析了不同尺寸的纳米金与人血清蛋白、牛血清蛋白和纤维蛋白原相互作用的荧光猝灭机理、热力学参数、作用力类型和相互作用的协同性效应等。研究结果表明，纳米金的尺寸大小对其与蛋白质的结合常数、结合位点数有较大的影响。尺寸越大结合力越强，结合位点数越多，表现出明显的正协同效应。此外，运用等温滴定量热和差示扫描量热技术测定了不同尺寸的纳米金与蛋白质分子作用的热力学函数，表明它们之间的主要作用力为疏水作用和范德华力。利用紫外可见吸收光谱和荧光光谱法研究了3 nm和4 nm的纳米金与胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、胃蛋白酶和卵清蛋白分子的相互作用，探讨了它们之间的结合方式以及主要作用力类型，研究结果表明蛋白质分子吸附到纳米金表面，对蛋白质的结构有重要影响。同时得出了研究体系的猝灭常数、结合常数以及结合位点数，探讨了它们之间相互作用的热力学控制因素。利用光谱法研究了三种球蛋白（HSA、BSA和溶菌酶）与纳米银之间的相互作用机理及其动力学性质。实验研究结果表明，三种球蛋白都能吸附在纳米银粒子的表面，纳米银粒子能够静态猝灭三种球蛋白的内源荧光，与其形成比较稳定的蛋白-银纳米粒子复合物。结合同步荧光、紫外可见吸收光谱和圆二色谱研究发现，蛋白质分子对纳米银粒子的包覆以及本身构象的变化具有双重滞后效应。另外，运用紫外可见光谱对此过程的吸附类型以及反应级数进行研究，结果表明三种球蛋白对纳米银粒子的作用是多层吸附的二级反应。本项目进行的纳米界面蛋白质分子相互作用的研究对于深入理解纳米粒子的生物效应以及纳米粒子在生物和医学领域的功能化和安全应用具有一定的参考作用。