高效安全的藥物遞送是制藥領(lǐng)域關(guān)注的重要問題。蛋白質(zhì)納米顆粒載體由于良好的生物兼容性、低免疫原性、高安全性等諸多優(yōu)點，在藥物遞送和臨床治療中具有重要的價值。

然而在開發(fā)過程中，為保證質(zhì)量和功效，不可避免地需要對蛋白質(zhì)納米顆粒進(jìn)行表征、分析和品控。相比較其他技術(shù)手段，冷凍電鏡技術(shù)可以為蛋白質(zhì)納米顆粒的質(zhì)量分析提供更精確、更靈敏的高分辨率保證，為圍繞蛋白質(zhì)納米顆粒載體的藥物遞送開發(fā)及進(jìn)一步的臨床應(yīng)用提供強有利支持。

利用能夠直接研究生物分子與無機化合物相互作用的技術(shù)，蛋白質(zhì)納米顆粒復(fù)合物的組成得以被研究。最近發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會應(yīng)用材料與界面》雜志上的一項研究使用冷凍電鏡單顆粒技術(shù)解析了蛋白質(zhì)納米顆粒復(fù)合物的結(jié)構(gòu)特征。

什么是蛋白質(zhì)納米顆粒復(fù)合物？

蛋白質(zhì)納米顆粒復(fù)合物能夠?qū)⒓{米顆粒的納米級特征與不同蛋白質(zhì)的特定結(jié)構(gòu)及功能相結(jié)合，這意味著納米顆粒與蛋白質(zhì)之間的不同組合具有極高的潛力。

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天然的和人工的生物過程都能夠在尺寸，結(jié)構(gòu)和功能方面控制無機納米顆粒的生產(chǎn)和開發(fā)。

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在蓬勃發(fā)展的生物醫(yī)學(xué)、藥物開發(fā)系統(tǒng)和生物傳感器等納米生物科學(xué)領(lǐng)域，蛋白質(zhì)納米顆粒復(fù)合物的價值極高。開發(fā)和生物細(xì)胞相當(dāng)大小的納米顆粒可以輕松進(jìn)入細(xì)胞，并在細(xì)胞內(nèi)起作用。因此，研究納米顆粒與各種蛋白質(zhì)復(fù)合物的相互作用是此類應(yīng)用所必需的。

結(jié)構(gòu)解析方法目前的局限性

目前，能夠揭示生物分子如何與合成納米復(fù)合材料相互作用的高分辨率結(jié)構(gòu)研究是極少的。最常用的兩類結(jié)構(gòu)解析技術(shù)：X射線晶體學(xué)和核磁共振（NMR）但這些方法對耦合到無機底物的生物分子的結(jié)構(gòu)測定不太適用。

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此外，固體核磁共振（SSNMR）和共頻生成（SFG）振動光譜等方法在研究較小的生物礦化蛋白復(fù)合物與無機材料的相互作用時是極為有效的。

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盡管這些方法提供了非常有價值的數(shù)據(jù)，但它們目前僅限于解析較小分子量的蛋白質(zhì)，并且需要一些額外的支持技術(shù)，用于對結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行深入評估。

冷凍電鏡：新型結(jié)構(gòu)解析技術(shù)

一些生物分子在無機材料界面區(qū)域的研究以及有關(guān)生物材料的課題能夠極大地受益于更好的生物學(xué)功能和結(jié)構(gòu)解析技術(shù)。這一需求因此催生了冷凍電鏡方法的快速發(fā)展：在過去的幾年中，冷凍電鏡方法打開了分子生物學(xué)研究的全新局面。

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在該研究中，研究人員報告了他們?nèi)绾问褂美鋬鲭婄R單顆粒技術(shù)來解析蛋白質(zhì)與納米材料的復(fù)合物。該研究涉及了兩種蛋白質(zhì)納米材料的化合物：即與鉑納米顆粒連接的GroEL（GroEL-PtNP），和與氧化鐵納米顆粒連接的鐵蛋白。

研究的主要進(jìn)展

結(jié)果表明，在GroEL和鉑納米顆粒（PtNP）復(fù)合的情況下，冷凍電鏡可用于解析納米級材料及高分辨率蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。GroEL是一種分子量為60kDa的蛋白質(zhì)，參與著多種其他蛋白質(zhì)的折疊，是細(xì)胞存活所必需的蛋白。GroEL已被發(fā)現(xiàn)除了在蛋白質(zhì)折疊中具有重要功能外，還有助于產(chǎn)生穩(wěn)定的PtNP。

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接下來，研究人員使用與氧化鐵納米顆粒（HuLF-FeNP）連接的鐵蛋白來觀察是否可以使用常規(guī)的冷凍電鏡方法研究其他蛋白質(zhì)納米材料復(fù)合物。

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鐵蛋白是一種生物礦化蛋白，在保持分子內(nèi)的鐵含量水平方面起著重要作用。在各種慢性疾病中，體內(nèi)鐵蛋白的濃度會發(fā)生變化。

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鐵蛋白在生物技術(shù)中具有多種用途，包括有機半導(dǎo)體的定向生產(chǎn)，神經(jīng)成像、基于生物分子的水過濾系統(tǒng)。同時，鐵蛋白也在維持鐵穩(wěn)態(tài)中起著重要作用。

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在HulF-FeNPs的情況下，冷凍電鏡的結(jié)構(gòu)解析精度要差得多，無法精細(xì)確定結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和組成。雖然冷凍電鏡的數(shù)據(jù)沒有對HulF的原子模型進(jìn)行充分的解析，但仍然可以在HulF殼的內(nèi)表面上觀察到氧化鐵納米顆粒。

冷凍電鏡及其應(yīng)用的未來展望

從研究結(jié)果可以得出結(jié)論，單顆粒冷凍電鏡在研究蛋白質(zhì)-納米材料相互作用的結(jié)構(gòu)特性方面具有廣闊的前景。然而，要獲取蛋白質(zhì)-無機界面的高分辨率模型，則需要更加先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展的支持。

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以冷凍電鏡方法獲取的數(shù)據(jù)能夠用傳統(tǒng)方法進(jìn)行建模，借助多種輔助性的計算工具，模型的最終結(jié)果能夠被優(yōu)化。對HulF-FeNPs和GroEL-PtNPs的進(jìn)一步研究應(yīng)集中在對數(shù)據(jù)處理masking這一步驟的的改進(jìn)上，以提高樣品所產(chǎn)生3D數(shù)據(jù)的質(zhì)量和分辨率。

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冷凍電鏡的數(shù)據(jù)收集和處理技術(shù)在未來將迎來更多突破，從而進(jìn)一步提高模型的精度，并為有機物質(zhì)如何與無機化合物相互作用提供重要的全新結(jié)構(gòu)與功能細(xì)節(jié)。

總結(jié)

研究蛋白質(zhì)納米材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法有望提高我們對生物分子如何與無機材料相互作用的的理解。我們使用冷凍電鏡（cryo-EM）單顆粒技術(shù)證明了冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析在揭示蛋白質(zhì)-納米粒子復(fù)合物的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)方面的潛力。

兩種蛋白質(zhì)-納米材料復(fù)合物被用作模型樣品，即與鉑金納米顆粒（GroEL-PtNP）結(jié)合的GroEL和與氧化鐵納米顆粒結(jié)合的鐵蛋白。對于GroEL-PtNP復(fù)合物，我們最終獲得了3.93 ?的結(jié)構(gòu)，這使得我們能夠?qū)roEL的原子級精度模型加載至密度圖上。這一突破也為今后的工作和改進(jìn)利用冷凍電鏡研究蛋白質(zhì)納米材料復(fù)合物奠定了基礎(chǔ)。

相關(guān)文獻(xiàn)：

Protein–Nanoparticle Complex Structure Determination by Cryo-Electron Microscopy

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsabm.2c00130

水木未來·視界丨iss. 20

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