生理惰性气体纳米气泡对酶活性的影响

Biological inert gases play a physiological function by interacting with some important proteins and affect a series of important life processes, such as anesthesia and nerve protection, etc. But these inert gases are almost not involved in any chemical reactions in living organisms. It is very hard to understand they will have an obvious biological effect if they only have very weak van der Waals with protein molecules by physical adsorption. Therefore, there is a controversy about how they play biological effects. Based on the long-term research on the characteristics of nanobubbles and related preliminary work, this project designs a series of experiments to explore the biological effect mechanism of inert gases from the view of nanobubble for the first time. This research chooses typical biological inert gases Kr, Xe and N2, and different hydrophobic proteases as studied system. It would establish a new method to control the growth of nanobubbles by loading and releasing pressure. By combining the high sensitive synchrotron radiation X-ray fluorescence absorption and imaging technology, advanced nanometer particle tracking analysis and enzyme activity measurement of protein, the research is performed to know how to influence enzyme activity if studied enzymes containing different inert gas nanobubbles. It is expected to find that which inert gas produced nanobubbles and in what condition they have the most obvious activity impact. It is hoped to present one or more mechanisms to explain their biological effects of those inert gases.

生理惰性气体与一些重要生物蛋白分子相互作用来发挥生理功能，影响着一系列重要的生命过程如麻醉和神经保护等。但这些生理惰性气体几乎不参与生命体中的任何化学反应，如果仅仅通过微弱的范德华作用与蛋白分子进行物理吸附，很难理解它们会有如此明显的生物学效应。所以，关于它们如何发挥生物学效应一直存在很大争议。本项目基于纳米气泡特性的长期研究和前期工作，首次从纳米气泡的视角来设计实验研究生理惰性气体的生物学效应机制。研究拟以典型生理惰性气体Kr，Xe和N2，以及三种不同疏水性的蛋白酶为研究体系，发展新的可控生长纳米气泡的加压减压方法，将高灵敏的同步辐射X射线荧光吸收和成像技术，先进的纳米粒子示踪技术和酶活性测量技术结合起来研究不同蛋白酶溶液含有不同惰性气体纳米气泡后它们活性的变化，发现哪种惰性气体产生的纳米气泡在什么条件下对蛋白活性抑制最明显。期望提出一种或多种机制来诠释生理惰性气体的生物学效应。

生理惰性气体与一些重要生物蛋白分子相互作用来发挥生理功能，影响着一系列重要的生命过程如麻醉和神经保护等。但这些生理惰性气体几乎不参与生命体中的任何化学反应，如果仅仅通过微弱的范德华作用与蛋白分子进行物理吸附，很难理解它们会有如此明显的生物学效应。所以，关于它们如何发挥生物学效应一直存在很大争议。本项目基于纳米气泡特性的长期研究和前期工作，首次从纳米气泡的视角来设计实验研究生理惰性气体的生物学效应机理；发展了一种新的可控生长纳米气泡的加压减压方法；将高灵敏的同步辐射荧光吸收和成像技术，先进的纳米粒子示踪技术和酶活性测量技术结合起来系统研究了不同疏水性蛋白酶溶液含有不同惰性气体纳米气泡对它们活性的影响。基于上述实验结果提出了生理惰性气体的生物学效应机理：纳米气泡与蛋白疏水结构域的相互作用以及蛋白分子吸附到大的纳米气泡相结合的机制影响其生物活性。更进一步的利用先进的同步辐射谱学显微技术揭示单个纳米气泡内部高密度，为纳米气泡的超高稳定性的解释提供了重要实验数据。这些研究为解释生理惰性气体的麻醉机制提供了新思路。本项目执行四年共发表学术论文24篇（包括20篇SCI），申请发明专利2项。2020获中国颗粒学会自然科学奖二等奖和2021年获陕西高等学校科技技术奖二等奖。2022年“微纳米气泡技术及其应用”被中国高科技产业化研究会鉴定为科学技术成果。举办和参加国内微纳米气泡相关会议15人次；参加线上、线下国际交流和合作20人次；会议口头报告20人次。培养研究生14名。