水木世界iss. 20 | 冷冻电镜应用场景“开疆扩土”：解析蛋白质纳米颗粒结构

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翻译 | 李俊逸

图文 | 王   欢

排版 | 韩天雨

前言

高效安全的药物递送是制药领域关注的重要问题。蛋白质纳米颗粒载体由于良好的生物兼容性、低免疫原性、高安全性等诸多优点，在药物递送和临床治疗中具有重要的价值。

然而在开发过程中，为保证质量和功效，不可避免地需要对蛋白质纳米颗粒进行表征、分析和品控。相比较其他技术手段，冷冻电镜技术可以为蛋白质纳米颗粒的质量分析提供更精确、更灵敏的高分辨率保证，为围绕蛋白质纳米颗粒载体的药物递送开发及进一步的临床应用提供强有利支持。

利用能够直接研究生物分子与无机化合物相互作用的技术，蛋白质纳米颗粒复合物的组成得以被研究。最近发表在《美国化学学会应用材料与界面》杂志上的一项研究使用冷冻电镜单颗粒技术解析了蛋白质纳米颗粒复合物的结构特征。

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什么是蛋白质纳米颗粒复合物？

蛋白质纳米颗粒复合物能够将纳米颗粒的纳米级特征与不同蛋白质的特定结构及功能相结合，这意味着纳米颗粒与蛋白质之间的不同组合具有极高的潜力。

天然的和人工的生物过程都能够在尺寸，结构和功能方面控制无机纳米颗粒的生产和开发。

在蓬勃发展的生物医学、药物开发系统和生物传感器等纳米生物科学领域，蛋白质纳米颗粒复合物的价值极高。开发和生物细胞相当大小的纳米颗粒可以轻松进入细胞，并在细胞内起作用。因此，研究纳米颗粒与各种蛋白质复合物的相互作用是此类应用所必需的。

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结构解析方法目前的局限性

目前，能够揭示生物分子如何与合成纳米复合材料相互作用的高分辨率结构研究是极少的。最常用的两类结构解析技术：X射线晶体学和核磁共振（NMR）但这些方法对耦合到无机底物的生物分子的结构测定不太适用。

此外，固体核磁共振（SSNMR）和共频生成（SFG）振动光谱等方法在研究较小的生物矿化蛋白复合物与无机材料的相互作用时是极为有效的。

尽管这些方法提供了非常有价值的数据，但它们目前仅限于解析较小分子量的蛋白质，并且需要一些额外的支持技术，用于对结构信息进行深入评估。

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冷冻电镜：新型结构解析技术

一些生物分子在无机材料界面区域的研究以及有关生物材料的课题能够极大地受益于更好的生物学功能和结构解析技术。这一需求因此催生了冷冻电镜方法的快速发展：在过去的几年中，冷冻电镜方法打开了分子生物学研究的全新局面。

在该研究中，研究人员报告了他们如何使用冷冻电镜单颗粒技术来解析蛋白质与纳米材料的复合物。该研究涉及了两种蛋白质纳米材料的化合物：即与铂纳米颗粒连接的GroEL（GroEL-PtNP），和与氧化铁纳米颗粒连接的铁蛋白。

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研究的主要进展

结果表明，在GroEL和铂纳米颗粒（PtNP）复合的情况下，冷冻电镜可用于解析纳米级材料及高分辨率蛋白质结构。GroEL是一种分子量为60kDa的蛋白质，参与着多种其他蛋白质的折叠，是细胞存活所必需的蛋白。GroEL已被发现除了在蛋白质折叠中具有重要功能外，还有助于产生稳定的PtNP。

接下来，研究人员使用与氧化铁纳米颗粒（HuLF-FeNP）连接的铁蛋白来观察是否可以使用常规的冷冻电镜方法研究其他蛋白质纳米材料复合物。

铁蛋白是一种生物矿化蛋白，在保持分子内的铁含量水平方面起着重要作用。在各种慢性疾病中，体内铁蛋白的浓度会发生变化。

铁蛋白在生物技术中具有多种用途，包括有机半导体的定向生产，神经成像、基于生物分子的水过滤系统。同时，铁蛋白也在维持铁稳态中起着重要作用。

在HulF-FeNPs的情况下，冷冻电镜的结构解析精度要差得多，无法精细确定结构细节和组成。虽然冷冻电镜的数据没有对HulF的原子模型进行充分的解析，但仍然可以在HulF壳的内表面上观察到氧化铁纳米颗粒。

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冷冻电镜及其应用的未来展望

从研究结果可以得出结论，单颗粒冷冻电镜在研究蛋白质-纳米材料相互作用的结构特性方面具有广阔的前景。然而，要获取蛋白质-无机界面的高分辨率模型，则需要更加先进的技术发展的支持。

以冷冻电镜方法获取的数据能够用传统方法进行建模，借助多种辅助性的计算工具，模型的最终结果能够被优化。对HulF-FeNPs和GroEL-PtNPs的进一步研究应集中在对数据处理masking这一步骤的的改进上，以提高样品所产生3D数据的质量和分辨率。

冷冻电镜的数据收集和处理技术在未来将迎来更多突破，从而进一步提高模型的精度，并为有机物质如何与无机化合物相互作用提供重要的全新结构与功能细节。

总结

研究蛋白质纳米材料复合结构的方法有望提高我们对生物分子如何与无机材料相互作用的的理解。我们使用冷冻电镜（cryo-EM）单颗粒技术证明了冷冻电镜结构解析在揭示蛋白质-纳米粒子复合物的结构细节方面的潜力。

两种蛋白质-纳米材料复合物被用作模型样品，即与铂金纳米颗粒（GroEL-PtNP）结合的GroEL和与氧化铁纳米颗粒结合的铁蛋白。对于GroEL-PtNP复合物，我们最终获得了3.93 Å的结构，这使得我们能够将GroEL的原子级精度模型加载至密度图上。这一突破也为今后的工作和改进利用冷冻电镜研究蛋白质纳米材料复合物奠定了基础。

相关文献：

Protein–Nanoparticle Complex Structure Determination by Cryo-Electron Microscopy

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsabm.2c00130

评论来源：

Using Cryo-Electron Microscopy to Analyze Protein–Nanoparticle Structures

https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39172

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