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等溫滴定熱量?jī)xITC在生物分子
與納米顆粒相互作用研究中的應(yīng)用
本文由馬爾文帕納科醫(yī)藥行業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展專(zhuān)家范洋晶供稿
2023
隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，各種具有新穎功能的納米顆粒（Nanoparticles，NPs）已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。納米顆粒與生物分子之間的相互作用是應(yīng)用和了解其作用機(jī)制的基礎(chǔ)，特別是納米顆粒與蛋白質(zhì)的相互作用是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，但是大多數(shù)分析方法都未能闡明其背后的形成機(jī)制。因此，洞悉納米顆粒與蛋白質(zhì)的相互作用是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
等溫滴定量熱法（Isothermal Titration Calorimetry, ITC）通過(guò)直接測(cè)量生物分子反應(yīng)過(guò)程中吸收或放出的熱量，為研究各種各樣的生物分子相互作用提供了全面的信息。
MicroCal PEAQ-ITC 微量熱儀具有樣品量消耗少、靈敏度高、廣泛的親和力測(cè)量范圍和可選擇的高通量等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)一次實(shí)驗(yàn)即可獲取結(jié)合相關(guān)的親和力 (KD)、化學(xué)結(jié)合計(jì)量比 (N)、焓變 (ΔH) 和熵變 (ΔS)等一整套熱力學(xué)信息。
ITC 不僅是藥物發(fā)現(xiàn)、蛋白質(zhì)相互作用研究和調(diào)控的重要工具，也為深入了解蛋白質(zhì)-納米顆粒相互作用的機(jī)制奠定基礎(chǔ)。
應(yīng) 用 案 例
等溫滴定量熱法（ITC）
蛋白質(zhì)可以吸附在大多數(shù)的納米顆粒上，這些相互作用大部分是放熱的，也有些是吸熱的。大多數(shù)蛋白質(zhì)-納米顆粒相互作用的結(jié)果可以用 One set of sites 模型來(lái)擬合，各個(gè)蛋白位點(diǎn)和納米顆粒的結(jié)合具有相似的親和力。研究發(fā)現(xiàn)也存在適合 Two set of sites 模型的蛋白質(zhì)-納米顆粒相互作用。圖1展示的細(xì)胞se素C 吸附在氨基酸包被的納米顆粒上發(fā)生了兩個(gè)結(jié)合事件，這可能是由于蛋白質(zhì)構(gòu)型的改變和由于更多蛋白質(zhì)吸附到納米顆粒上導(dǎo)致的蛋白質(zhì)間相互作用。
圖1：細(xì)胞se素C（CytC）吸附在氯基酸包被的納米顆粒(NPs)上的滴定曲線(xiàn)
有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)的單套或多套位點(diǎn)模型無(wú)法擬合的熱力學(xué)圖譜，圖2為 BSA 結(jié)合硫醇包被的金納米顆粒的滴定曲線(xiàn)。這種結(jié)合可能是由于納米顆粒和蛋白質(zhì)的表面異質(zhì)性造成的，因?yàn)橐粋€(gè)納米顆?？梢蕴峁┎煌再|(zhì)的位點(diǎn)供蛋白質(zhì)結(jié)合，而一個(gè)蛋白質(zhì)也可以使用不同的基團(tuán)與納米顆粒表面結(jié)合。
圖2：BSA結(jié)合到硫醇包被的金納米顆粒（AuNPs）的滴定曲線(xiàn)
盡管蛋白質(zhì)-納米顆粒存在不同的相互作用類(lèi)型，但焓熵補(bǔ)償關(guān)系仍然成立。ΔH--TΔS線(xiàn)性圖的斜率和截距被認(rèn)為是復(fù)合物形成時(shí)構(gòu)象變化和去溶劑化的定量衡量。
圖3：NP-蛋白質(zhì)相互作用研究中的 TΔS –ΔH線(xiàn)性圖，使用一系列大小、表面功能差異較大的NPs
ITC也可用于識(shí)別相互作用過(guò)程中可能的蛋白質(zhì)聚集或變性。例如，BSA在帶正電荷的金納米顆粒上的吸附表現(xiàn)出兩個(gè)結(jié)合事件，第一步結(jié)合的TΔS為-200 kJ mol?1，而第二步結(jié)合的TΔS 為-1000 kJ mol?1，這種異常的大熵變被認(rèn)為是由蛋白聚集所導(dǎo)致的。
圖4：BSA結(jié)合到帶正電荷的NP的滴定曲線(xiàn)
結(jié)論
Conclusion
生物分子-納米顆粒相互作用的熱力學(xué)研究是非常重要的，在很大程度上會(huì)影響后續(xù)的生物效應(yīng)。例如，吸附蛋白的結(jié)合部分和結(jié)合強(qiáng)度可能決定其結(jié)構(gòu)和功能的完整性。盡管許多分析技術(shù)可以用來(lái)描述蛋白質(zhì)- 納米顆粒相互作用，但很少有技術(shù)能提供像 ITC 一樣多的定量信息。
等溫滴定量熱法是非標(biāo)記和非破壞性的，通過(guò)提供一整套完整的熱力學(xué)信息研究蛋白質(zhì)對(duì)納米材料的吸附，可作為一種補(bǔ)充技術(shù)幫助我們更好地理解蛋白質(zhì)-納米顆粒的相互作用機(jī)制。
參考文獻(xiàn)
[1] Huang RX, Lau BLT. Biomolecule–nanoparticle interactions: Elucidation of the thermodynamics by isothermal titration calorimetry. Biochim Biophys Acta. 2016; 1860(5): 945-956.
[2] Prozeller D, Morsbach S, Landfester K. Isothermal titration calorimetry as a complementary method for investigating nanoparticle-protein interactions. Nanoscale. 2019; 11(41): 19265-19273.
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