近日，国家纳米科学中心陈春英院士、吴晓春研究员、中国科学院高能物理研究所王黎明研究员等团队合作，在蛋白冠介导的纳米酶活性调控方面取得重要进展，通过发展纳米-生物界面与纳米-化学界面作用的综合分析手段，发现蛋白冠对纳米酶活性的抑制现象并首次揭示蛋白形状是调控抑制效应的关键因素, 相关研究成果以“Protein Corona-Mediated Inhibition of Nanozyme Activity: Impact of Protein Shape”为题，发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。
纳米酶是一类具有类似天然酶催化活性的功能性纳米材料。自2007年纳米酶被报道以来，已有上千种具有类酶活性的纳米材料被陆续报道并应用于疾病诊断和治疗、生物检测等领域。如何精准地调控纳米酶催化活性的一直是纳米酶设计、功能开发与应用的关键科学问题。前期研究发现，纳米酶理化特性、微环境及其与生物分子的作用都可能影响其催化活性。在生物医学应用的过程中纳米酶很可能与生物体液接触，由于其具有高表面自由能，不可避免地在表面吸附多种类型的蛋白质而形成“蛋白冠”。蛋白冠一方面改变了纳米酶的表面性质并赋予其生物学特性，参与调控纳米酶在生物体内的分布、转运、清除等行为以及生物安全性与免疫效应等；另一方面，多数纳米酶的催化位点位于表面，蛋白冠可能占据催化位点或在纳米酶表面形成物理屏障，但是关于蛋白冠是否影响纳米酶的催化活性并不清楚，缺乏系统与深入的认识。因此，非常必要研究蛋白冠对纳米酶的催化活性调控及其机制。
基于此，研究人员使用聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDAC)包覆的金铂纳米棒(AuNR@Pt@PDDAC) 作为模型纳米酶，具有类过氧化物酶、类氧化酶和类过氧化氢酶三种类酶活性，并综合利用蛋白质组学、纳米材料-生物界面分析、同步辐射X射线吸收谱学等方法以及分子动力学模拟等纳米-生物界面与纳米-化学界面分析方法，探究了蛋白冠对纳米酶活性的影响及其调控规律。研究发现，纳米酶表面形成的血浆蛋白冠显著地抑制多种类酶催化性能，而且蛋白冠对纳米酶活性的抑制效应依赖于蛋白的形状。蛋白冠里的高丰度组分，具有明显不同的形状如白蛋白和高密度脂蛋白的结构是球形，而纤维蛋白原、纤连蛋白的结构是纤维状（图1）。由纤维状蛋白形成的蛋白冠比球形蛋白对催化活性的抑制效果更强，原因是蛋白质在纳米酶表面自组装形成蛋白网络，与球形蛋白相比，纤维状蛋白与AuNR@Pt@PDDAC表面的结合力更强、排列形成更致密的蛋白网络、具有更小的孔隙，导致底物分子从蛋白网络孔隙中渗透率低、与纳米酶表面接触机率更小，从而对纳米酶活性表现出更显著的抑制效应（图2）。
图1. 蛋白冠对纳米酶的抑制效应及其对吸附蛋白形状的依赖性。(a, b) 蛋白冠吸附影响纳米酶Au@Pt@PDDAC的催化活性。(c, d)纳米酶表面的血浆蛋白冠主要组分及相对丰度。(d) 球形蛋白(血清白蛋, HSA)与纤维状蛋白(纤维蛋白冠原, FG)在纳米酶表面吸附，产生的活性抑制效应具有明显的差异。
图2. 纳米酶表面吸附蛋白的形状影响催化活性的机制。(a-c)纤维状蛋白与球形蛋白在纳米酶表面吸附、组装形成蛋白网络，结合自由能及其吸附后纳米酶的表面覆盖率。(d-g) 相比纤维状蛋白(d-e)，球形蛋白(f-g)形成的蛋白网络对底物分子的渗透效率更高。
该研究发现蛋白冠对纳米酶活性的调节作用，首次揭示蛋白形状是影响纳米酶活性抑制效应的关键因素及其机制（图3），表明纳米酶与生物分子作用形成的生物冠对纳米酶活性及其生物医学应用的重要影响，强调了纳米酶的设计和应用应充分考虑体内微环境和生物分子吸附作用；通过对纳米酶的化学组分、表面修饰、尺寸、结构与形貌的设计与优化，实现生物医学应用具有靶向性、可代谢、安全、催化活性可调等优异特性。本研究为纳米酶在领域的理性设计、功能开发与生物医学应用提供了新的视角和思考。
博士生丛亚林、硕士生乔荣荣和中国科学院深圳先进技术研究院的王晓峰博士为该论文的共同第一作者。中国科学院高能物理研究所王黎明研究员、国家纳米科学中心陈春英院士和吴晓春研究员为该论文的共同通讯作者。该工作得到了赵宇亮院士的大力支持以及国家自然科学基金基础科学中心等项目、国家重点研发计划、高能所科技创新项目、新基石科学基金、北京同步辐射装置建制化科研平台项目和上海光源的资助与支持。
图3.蛋白冠对纳米酶催化活性的调控效应及其机制。
