基于金属纳米颗粒动态单分子分析的纳米颗粒蛋白冠研究

The unique size and interfacial effects of nanoparticles make them very easy to interact with large biomolecules. In a real biological solution environment, what can stably exist is not a pre-designed functional nanoparticle, but a nanoparticle-centered protein complex, commonly referred to as a protein crona. Understanding the dynamic processes and mechanisms of protein crona formation is of great significance for prediction of the crona compositions, precisely control of their subsequent biological effects, and the design and application of bio-nanomaterials. In order to study the formation mechanism and regulation of nanoparticle protein crona in real time, we plans to use single gold nanorods as non-fluorescent single-molecule probes, develop high-speed single-particle dark-field imaging technology, and develop dynamic single-molecule data analysis methods. In addition, we would study the dynamic formation process, formation mechanism and equilibrium conversion mechanism of the protein crona under different conditions, and investigate the uptake of nanoparticles coated with different protein crona by different cells. These works shall provide new avenue for the study of biological macromolecules on the dynamic surface modification, biological function and targeted regulation of nanoparticles.

纳米颗粒独特的尺寸和界面效应使得其很容易与生物大分子相互作用。在真实的生物体溶液环境中，能够稳定存在的不是预先设计的功能化纳米颗粒，而是以纳米颗粒为中心的蛋白复合体，通常称为蛋白冠。了解蛋白冠形成的动态过程和机制，以预测特定的颗粒和蛋白环境中蛋白冠的组成，并精确调控其后续的生物学效应，对于生物纳米材料的设计和应用有重大意义。为实时原位研究纳米颗粒蛋白冠的形成机理和调控规律，本项目计划以单个金纳米棒为非荧光动态单分子探针，发展高速单颗粒暗场成像技术，发展动态单分子大数据分析技术，探究不同条件下纳米颗粒-蛋白冠的动态形成过程、形成机理及平衡转化机制，考察不同细胞对包覆有不同蛋白冠的纳米颗粒的摄取。这些研究将为生物大分子在纳米颗粒表面的动态修饰、生物学功能及靶向调控研究提供新工具和新思路。

如何深入认识生理环境中生物大分子在纳米颗粒表面自发的动态修饰作用，特别是蛋白冠效应，是纳米材料生物学应用中的一个重要问题。当前，研究者们主要采用多种蛋白质组学的方式以及基于纳米颗粒理化性质的表征手段来研究蛋白冠。但传统方法往往涉及繁琐的样品前处理，会造成蛋白的部分脱附，难以还原蛋白冠的真实特性。而且，由于是静态的表征方法，只能获取某一时段的信息，无法实时检测纳米颗粒在细胞或生物体内与蛋白的相互作用过程。因此，我们开发了一种高速单颗粒暗场显微成像技术，以单个金纳米棒为非荧光动态单分子探针，来实时原位研究纳米颗粒表面蛋白冠的形成机制和调控规律。这种方法具有亚纳米尺度的分辨率，无需将探针与介质分离，能提供更为准确的分子学信息。我们考察了多种蛋白环境中蛋白冠的形成机制和动态特性，并通过化学干预探究了纳米材料表面修饰、电性对蛋白冠的影响。在此基础上，我们考察了多种生理环境中蛋白冠的生物学效应，包括蛋白液液相分离、金纳米棒的细胞内吞过程和不同抗体修饰金纳米棒的内吞动力学。这些工作对于从分子层面揭示蛋白冠的特征和调控机制有着重要的意义，并有望对纳米药物的设计和制备提供有益的参考。