仪器新应用，科学家揭开生物冠形成及其应用的全景分析！

【科学背景】

工程纳米材料（ENMs）是具有与其大块材料不同的有趣的物理和化学特性的材料，因其在靶向药物递送和精准农业等领域的潜在应用成为了研究热点。ENMs可以通过特定的表面化学来实现成功的药物靶向和药物递送，同时还可以用于精准递送基于纳米的农药，以减少污染和温室气体排放。然而，ENMs在实际应用中存在着生物转化的问题，包括吸附一层生物分子形成生物冠。这种生物冠不仅影响ENMs的命运和性能，还增加了对其生物学和环境身份的复杂性，给研究带来了很大的挑战。

有鉴于此，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。科学家们提出了一种详细的工作流程，通过质谱、先进结构技术（例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，以分离和生物物理表征生物分子冠（生物冠）成分（蛋白质和代谢物）。这一设计的管道规范了不同实验室数据的获取，提高了其可重复性，并有助于预测较少表征的ENM获得的生物冠。

【科学亮点】

1. 实验首次系统地提出并描述了生物分子涂层（生物冠）的制备和表征流程，涵盖了包括蛋白质和代谢物在内的生物分子。通过该流程，获得了不同工程纳米材料（ENMs）上的生物冠的详细组成和结构信息。

2. 实验通过采用质谱、透射电子冷冻显微镜、同步辐射X射线吸收近边结构等先进技术，以及分子动力学模拟，成功地对ENMs与生物冠之间的相互作用进行了建模和预测。

3. 结果显示，该方法规范了数据获取过程，提高了不同实验室之间数据的可重复性，并有助于预测较少表征的ENMs所获得的生物冠组成。这一流程的应用为理解ENMs在生物医学和农业中的应用提供了机制性见解，并推动了ENMs对环境影响的深入了解。

【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】

本文的研究为工程纳米材料（ENMs）在生物医学和环境科学中的应用提供了重要的科学作用。首先，通过系统化的生物冠（biocorona）制备和表征方法，研究揭示了ENMs在生物体内或环境中与生物分子的相互作用，这些生物分子层对ENMs的生物学行为和环境命运具有关键影响。特别是，通过质谱、透射电子冷冻显微镜和同步辐射X射线吸收近边结构等技术，研究人员能够深入了解ENMs的表面生物冠的组成和结构，这为ENMs的精准设计和功能优化奠定了基础。

其次，本文提出的标准化数据获取和分析流程，不仅提高了实验结果的可重复性和可比性，还增强了不同实验室之间数据的统一性。这种标准化的管道能够帮助研究人员更好地预测和控制ENMs的生物冠特性，进而提升其在药物递送、农业化学品精准投放等实际应用中的效果。此外，通过分子动力学模拟，研究还探索了ENMs与生物分子相互作用的动态过程，为理解和预测生物冠的形成和演变提供了新的视角。

文献详情：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