Nature Protocols揭示纳米材料生物冠的秘密：从结构解析到应用前景！

【科学背景】

随着纳米技术的快速发展，工程纳米材料（ENMs）引起了广泛关注。ENMs是具有独特物理和化学特性的材料，它们与其大块材料相比，表现出显著不同的性能。例如，ENMs在靶向药物递送领域具有巨大的应用潜力，通过设计特定的表面化学特性，ENMs可以实现高效的药物靶向和递送。这些特性同样适用于纳米农药的精准递送，旨在减少污染和温室气体排放。然而，要将这些技术从实验室应用到实际的临床或农业领域，仍然面临着诸多挑战。

其中一个主要问题是ENMs在进入生物或环境系统后，容易发生生物转化，形成一层由生物分子组成的生物冠。生物冠的形成不仅改变了ENMs的表面特性，还影响了其在生物和环境中的行为和命运。生物冠包括蛋白质（蛋白冠）和其他生物分子如核酸和代谢物。尽管目前大多数研究集中在蛋白冠上，因为蛋白质比其他生物分子更容易监测和表征，并在受体结合和信号传递中发挥关键作用，但代谢物在信号传递中同样扮演着重要角色。

为了解决这一问题，英国伯明翰大学Zhiling Guo, 国家杰出青年科学基金获得者,中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室副主任陈春英教授、 中国科学技术大学环境科学与工程系Iseult Lynch团队在“Nature Protocols”期刊上发表了题为“Analysis of nanomaterial biocoronas in biological and environmental surroundings”的最新论文。他们提出了一套详细的工作流程，用于分离和生物物理表征生物分子冠成分（蛋白质和代谢物）。这套流程通过质谱、先进的结构技术（如透射电子冷冻显微镜和同步辐射X射线吸收近边结构）以及分子动力学模拟来模型化ENM-生物冠相互作用。通过规范不同实验室数据的获取，这一流程提高了数据的可重复性，并有助于预测较少表征的ENM获得的生物冠。

本研究解决了ENMs生物冠形成、组成和演变的机制性问题。研究人员通过简化制备、分离、鉴定和表征生物冠的程序，使不同实验室的研究结果更加可比。具体而言，研究团队描述了如何可重复地制备和表征生物分子包裹的ENMs，特别指出了需要针对不同类型ENMs优化的步骤。研究使用常规方法（如透射电子显微镜、动态光散射、电泳–质谱和液相色谱–质谱）以及先进技术（如透射电子冷冻显微镜、同步辐射X射线吸收近边结构和圆二色性），来表征生物冠的结构和组成。同时，研究还讨论了如何使用分子动力学模拟来研究和预测ENMs与生物分子之间的相互作用及其导致的生物冠组成。

【科学亮点】

1. 实验首次通过综合使用质谱、透射电子冷冻显微镜、同步辐射X射线吸收近边结构以及分子动力学模拟，详细描述了生物分子涂层（生物冠）的制备与表征方法。

实验针对工程纳米材料（ENMs）的生物冠层进行了全面的分析，涵盖了蛋白质和代谢物的分离及其生物物理特性。这些方法能够提供关于生物冠层的结构、组成和动态的深刻洞察。

2. 实验通过优化的工作流程，提高了数据获取的规范性和重复性，使得不同实验室之间的数据可以进行有效比较，并可以预测其他未表征ENMs的生物冠。

研究设计了一套标准化的流程来简化生物冠的制备、分离、鉴定和表征。通过这些技术和方法，能够更准确地理解ENMs与生物分子之间的相互作用及其对生物冠组成的影响。这一流程不仅提升了研究的可重复性，还为生物医学和农业应用提供了新的理论依据，并有助于更好地评估ENMs在环境中的影响。

【科学图文】

图1：生物冠确定协议的五个主要部分概述。

【科学结论】

本文通过系统化地研究生物冠的制备和表征，为工程纳米材料（ENMs）的生物学和环境研究提供了重要的科学价值。首先，本文揭示了生物冠在ENMs与生物体或环境系统相互作用中的核心作用，强调了生物冠对ENMs生物学和环境行为的决定性影响。这一发现不仅拓展了对ENMs表面生物分子层的理解，也为精准控制ENMs的生物学功能和环境行为提供了理论基础。

其次，本文介绍了通过质谱、透射电子冷冻显微镜、同步辐射X射线吸收近边结构等先进技术以及分子动力学模拟来表征生物冠的方法，展示了如何结合多种技术手段深入研究生物冠的结构和组成。这种综合方法的应用，不仅提高了数据的准确性和重复性，也为其他研究提供了可复制的实验流程。这种方法的标准化，有助于不同实验室之间的结果比较，促进了ENMs研究的全球合作和数据共享。

此外，本文还指出了生物冠的制备和分析步骤在提高数据质量和可比性方面的关键作用。这为纳米材料在生物医学和农业领域的实际应用奠定了坚实的基础，使研究人员能够更准确地预测和评估ENMs的生物学和环境效应。总之，本文的研究为纳米材料领域的科学家提供了新的视角和工具，推动了ENMs应用的理论和实践进展，具有广泛的学术和实际意义。

原文详情：Zhang, P., Cao, M., Chetwynd, A.J. et al. Analysis of nanomaterial biocoronas in biological and environmental surroundings. Nat Protoc (2024). https://doi.org/10.1038/s41596-024-01009-8