先进同步辐射技术用于金纳米材料与典型蛋白质相互作用及相关生物效应研究

With the extensive application of nanomaterials in the biomedical field, our blood circulatory system containing large quantity of proteins will most likely be the first interaction organ exposed to these nanomaterials. The study for the interaction between nanomaterials and proteins associated with biological effects are currently very critical for developing safe application of nanomaterials.. In this proposal, we plan to choose gold nanomaterials with significant potential for biomedical application, most abundant human serum albumin and important intracellular 20S proteasome. Advanced synchrotron radiation techniques, spectrum techniques and mass spectroscopy techniques are employed to study the interaction way of Au NP with these two typical proteins and protein conformational change. Further, the effects of surface binding of HSA on the cellular biological responses of Au NP will be investigated by combined with molecular biological techniques, including endocytosis mechanism and etc. In addition, it will be studied about the influence of Au NP adsorption on the activity of 20S proteasome and its involvement and regulation for cellular apoptosis, cycle, and signal transduction.. By illustrating the effect of nanomaterial-protein interaction on the biological effects of nanomaterials and the structure and function of proteins, the project will provide a scientific basis for accurate assessment on safety of nanomaterials and development of new application of nanotechnology.

随着纳米材料在生物医学领域的广泛应用，含有丰富蛋白质的血液可能是纳米材料进入生物体的第一个入口，所以深入研究纳米材料-蛋白质相互作用及其生物效应对发展纳米材料的安全应用十分重要。本项目选择在生物医学领域具有潜在重要应用前景的金纳米材料（Au NP）和两种典型蛋白，血液中高丰度蛋白“人血清白蛋白（HSA）”和细胞内重要功能蛋白“20S蛋白酶体（20SP）”，应用先进同步辐射技术、光谱和质谱技术研究Au NP与两种典型蛋白相互作用的方式和蛋白质二级结构的变化，进一步结合细胞分子生物学技术研究表面键合HSA对Au NP的跨膜方式等细胞生物效应的影响，以及Au NP吸附对20S蛋白酶体活性及其参与调控的细胞功能（凋亡、周期和胞内信号转导等）的干扰和影响。本项目通过揭示纳米-蛋白质相互作用对纳米材料的生物效应和对蛋白质的构象功能的影响，为研究纳米材料的安全性和发展纳米材料的新应用提供理论基础。

由于纳米材料的高表面自由能，纳米材料暴露于生物体后将不可避免的与蛋白质等生物大分子发生相互作用，因此系统研究纳米-蛋白界面作用对准确理解纳米材料的生物效应机制以及发展纳米材料新的生物应用十分重要。本项目选择在生物医学领域具有重要应用前景的典型碳纳米材料（石墨烯及其衍生物）和纳米金材料，研究了石墨烯量子点与泛素蛋白的相互作用，通过检测亲和力、表征蛋白质二级结构、鉴定关键活性位点，为纳米-蛋白界面作用研究准提供重要方法学指导。通过研究石墨烯与蛋白酶体的相互作用，发现石墨烯能够降低蛋白酶体的活性，造成细胞周期阻滞，为纳米材料的毒性机制提供新的视角。首次发现金纳米簇对蛋白酶体活性的调控具有电荷依赖性，带负电荷的金纳米簇对蛋白酶体活性有显著的促进作用，帕金森病(PD)体外细胞模型证实带负电荷的金纳米簇能够有效缓解细胞死亡，为发展金纳米簇在神经退行性疾病中的潜在应用提供重要基础。该项目的顺利完成为准确揭示纳米材料的生物效应机制和探索其新的生物应用提供了重要基础。