基于多重分子相互作用的纳米材料生物效应的研究

纳米材料的生物效应不仅与其尺寸大小、形状、表面积、化学组成等相关，还与其存在的生物环境紧密相关，任何一种因素的改变都可能引起纳米材料生物效应表现的不同。由于生命组成和功能的复杂性，目前有关纳米粒子的生物效应和毒理作用的研究数还缺乏令人信服的实验证据。.本项目提出在纳米材料与生物大分子相互作用的基础上，以DNA复制体系为研究对象，在分子水平上研究不同理化性质的纳米颗粒与生物大分子的多重相互作用及可能产生的生物效应。由于DNA聚合酶负责细胞内重要的DNA复制功能并与DNA修复功能相关，我们拟利用特定基因表达和DNA损伤与修复等研究手段，进一步在细胞层面上探索纳米粒子生物效应的产生机制。该项目关于纳米材料生物效应的研究和相关技术方法的建立，将为纳米材料的安全性和毒理学研究提供基础理论依据和技术支持。

人工纳米材料的大量生产和广泛使用将使其不可避免地被释放到环境中，纳米材料的环境安全问题正日益引起人们的关注，但目前人们对纳米材料的存在、迁移、转化和毒性效应还知之甚少。我们发现富勒烯以团聚态（nC60）形式与DNA 聚合酶相互作用并抑制其活性,但高丰度蛋白可以通过竞争吸附解除nC60纳米粒子对DNA 聚合酶复制功能的抑制作用。以此为基础，我们建立了描述纳米材料与生物大分子多重相互作用和调控其功能变化的简化模型，并提出纳米粒子与低丰度功能蛋白质或酶的作用取决于高丰度蛋白质-功能蛋白-纳米粒子多重作用的平衡。我们发展了一种连续梯度离心的方法对不同粒径大小的nC60纳米粒子进行了分离，并发现nC60纳米粒子的蛋白酶抑制作用和毒性效应与其粒径大小紧密相关。粒径小的nC60纳米粒子显示出了较强的毒性，在低于无细胞毒性2个数量级的暴露浓度，尺寸小的nC60纳米粒子可以显著的诱导胞浆中Bax蛋白在线粒体膜上的转位聚集。我们发现以聚吡咯烷酮（PVP）作为稳定剂的nC60体系即使在非光照的条件下仍可以剪切DNA，而在此过程中并未检测到活性氧的产生，结果显示PVP在nC60体系的DNA剪切效应中起到关键作用。以上研究结果将有助于理解纳米粒子的毒性和环境风险。