溶菌酶蛋白质晶体导向合成荧光纳米材料及其分析应用研究

Functional bionanomaterials combine the merits of both biomolecules and nanomaterials, and have found wide applications in many areas, such as biosensing and bioimaging. To achieve the goal, many biomolecules have been explored to prepare these hybrid materials. Among them, protein assemblies from protein monomers have been considered as novel templates for fabrication of nanomaterials due to their structural and functional diversities, their specific recognition and assembly capabilities, their highly-ordered and uniform three-dimensional mesoporous solvent channels, and their nanoscale sizes from tens to hundreds nanometer comparable to most nanomaterials. These unique features cannot be found in many other biomolecules, including protein monomers, and synthetic supramolecules. We have recently reported the synthesis and characterization of the first gold nanoparticles grown within an intact protein crystal via an in situ growth protocol. In this project, we propose to study the synthesis and assemblies of several other important nanomaterials (such as fluorescent noble metal nanoclusters, and quantum dots) within a protein crystal template. We will also explore their potential applications in analytical detection and bioimaging. This study will provide an innovative approach to synthesis, assembly of new functional bionanomaterials, which could find potential applications in many areas.

功能化生物纳米材料因其有效地结合了生物分子和纳米材料各自独特的优点，在生物传感、医学成像等诸多领域有着广泛的应用。为此，科研人员在研究中尝试使用各种生物分子来制备此类材料。由蛋白质单体自组装而成的“蛋白质组装体”具有多样化的结构和功能、能进行特异生物识别与组装、有着高度有序的三维孔道结构和单分散性，且尺寸多在几十到数百纳米之间。因而可用作构筑功能化纳米材料的新型模板。这些优异的性能是包括单个蛋白质分子在内的其他生物分子或人工合成超分子无法比拟的。申请人率先采用“原位生长”的方法，利用蛋白质晶体成功制备了完美的“金纳米颗粒/蛋白质”晶体复合材料。在前期研究基础上，本项目将进一步研究蛋白质晶体导向合成与组装其他种类纳米材料（如荧光贵金属纳米团簇、量子点），并探索其在分析检测、生物成像等方面的潜在应用。该研究将为新型多功能生物纳米杂化材料的合成、组装和应用提供新的方法和思路。

功能化生物纳米材料因其可以有效结合生物分子和纳米材料各自独特的优点，因此在生物传感、生物分析等诸多领域有着广泛的应用。为此，人们在研究中尝试使用各种策略来制备此类材料。因利用模板导向合成功能纳米材料具有独特的优势，从而受到了人们的广泛青睐。本项目选用蛋白质晶体和有机金属骨架(metal-organic frameworks, MOF)作为模板，导向合成了一系列功能纳米材料，并研究了其在生物分析等方面的应用。. 蛋白质因其尺寸与纳米材料相当、具有多样化的结构和功能、具备特异性生物识别与自组装等特点，被广泛用作模板来导向合成各种生物纳米材料。与单个蛋白质分子不同，蛋白质晶体具有高度有序的三维结构，晶体内部还包含均一的溶剂通道，可用作介孔生物模板来制备复合功能材料。由于溶菌酶具有易结晶等优点，因而在本项目被选为模型蛋白质用于生长蛋白质晶体，以制备溶菌酶蛋白质晶体复合功能材料。我们成功制备了“金纳米颗粒/溶菌酶”、“金纳米团簇/溶菌酶”、“阿霉素/溶菌酶”等晶体复合功能材料，并发展了调控金纳米颗粒、金纳米团簇生长的策略。“金纳米颗粒/溶菌酶”具有较好的表面等离子共振性能，能够有效地增强拉曼探针对硝基苯硫酚的SERS信号。通过调控生长条件，制备所得“Au8/溶菌酶”与“Au25/溶菌酶”有较好的荧光性能，前者发蓝色荧光，而后者发红色荧光。“阿霉素/溶菌酶”不仅保留了阿霉素自身的抑制肿瘤细胞能力，且因与溶菌酶的协同作用，明显增强该复合材料的抗肿瘤特性。. MOF具有结构可调、功能多样化等特点，且较蛋白质晶体具有更高的稳定性，因而在本项目中我们同时利用MOF作为模板合成功能纳米材料，并将其应用于体外检测和活体分析研究。采用自组装策略制备GOx/hemin@ZIF-8（GOx，葡萄糖氧化酶）、AuNPs@MIL-101@GOx（AuNPs，金纳米颗粒）、AuNPs@MIL-101@LOx（LOx，乳酸氧化酶）等集成化纳米酶及含有卟啉结构单元的二维MOF纳米酶，系统研究其催化活性。进一步与微流控芯片技术和微透析技术相结合，建立了可用于活体分析的新方法，实现了活体内（脑内、瘤内等）重要生物分子（葡萄糖、乳酸、肝素等）在生理、病理条件下的检测。. 预期本项目研究成果对功能纳米材料的理性设计及其分析应用研究能够提供一定的指导和推动作用。