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探究血液蛋白质与石墨烯之间的“生物-纳米”相互作用

血液蛋白质是纳米材料包括石墨烯等进入人体内,最有可能首先接触并发生相互作用的生物大分子。研究和理解二者的基本相互作用,对于石墨烯在纳米生物医学领域的应用,具有重要促进作用。然而一直以来,该领域关键的问题是石墨烯在生物体液环境中自身胶体的不稳定性,使得无法系统地研究其与蛋白质的相互作用。尽管目前有大量的方法报道对石墨烯进行修饰与改性,来提高其在溶液中的稳定性,但是如何使用最小的稳定剂,同时不破坏石墨烯的本征二维结构和生物化学特性,是一个关键和难点问题。

中国科学院长春应用化学研究所牛利研究员和丹麦技术大学池其金副教授领导的研究团队,在前期开展的大量石墨烯功能化和生物相互作用的研究基础之上,采用一种类似于石墨烯结构的有机分子(苝四甲酸),制备了高质量单层保护的石墨烯,显著地提高了在模拟的生物体液环境中的稳定性,同时又保持了石墨烯的最基本结构特性。在此基础之上,他们进一步研究了稳定化的石墨烯与5种主要血液蛋白的相互作用,包括纤维蛋白原、γ-球蛋白、血清蛋白、胰岛素和组蛋白。其研究结果得到如下重要结论:(1)二者主要作用力是石墨烯的π平面与蛋白质表面的芳香性氨基酸残基之间的π-π相互作用;(2)石墨烯负载蛋白质的能力高达2.25-4.81 mg mg-1,远高于碳纳米管(< 0.45 mg mg-1),并且证实蛋白质的负载摩尔量与蛋白质的表面积和吸附层数呈现线性关系;(3)不同蛋白质呈现出不同的负载量,并且其变性程度也不同,表明石墨烯具有一定的选择性结合蛋白质能力,同时也证实石墨烯具有一定的毒性;(4)蛋白质与石墨烯相互作用的强度(包括结合常数与吸附层数)与蛋白质的尺寸,表面芳香性氨基酸残基的数量和密度密切相关。(5)在模拟的血液环境中,在5种血液蛋白共同存在情况下,其结合行为主要取决于血液蛋白中的主导成分,即血清蛋白。

这样, 该研究工作一方面提出了一种最小稳定剂使用量的单层保护的石墨烯,极大地提高了其在生物体液中的稳定性; 另一方面系统研究了石墨烯与血液蛋白质的相互作用,鉴别出相互作用的关键因素,为理解石墨烯与蛋白相互作用和其在纳米生物医学领域的进一步应用提供了基础性线索,文章发表在Smal期刊。


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