[科普中国]-“跨界明星”纳米材料，实力“圈粉”蛋白质

作者：圆的方块

审核专家：陈春英，国家纳米科学中心研究员、国家重点研究计划“纳米科技”专项首席科学家

纳米（nm），长度单位，1纳米等于十亿分之一米，头发的直径是6万nm，DNA的宽度是2.3 nm。任何学科或技术，当其研究或作用的尺度降到100nm之下时，便可称之为纳米科技。

纳米科技的灵感来自于物理学家费曼。1959年他发表了著名的演讲《底部还有很大空间》，其观点概括来说是“ 我们可以组装单个原子以获得产品”，即通过“自下而上”的方式进行生产 。1981年，纳米科技迎来了第一个里程碑：IBM公司开发出扫描隧道显微镜（STM）。研究者利用一根非常细的金属探针，与物体表面会形成电流，从而探测原子级的微观形貌。于是人类可以“看见”纳米级的物质了。

(扫描隧道显微镜（STM）。)

借助迅速发展的实验手段，人们也逐渐具有了研究、制造纳米材料的能力，并逐渐发现当材料的尺寸小于100nm时，物质的很多性能会发生质变，从而呈现不同于宏观物质的奇异现象，比如量子尺寸效应、高反应活性、奇特的电学、磁学性能等。

最著名的例子是 碳纳米材料 。这是一系列碳同素异形体的统称，包括形同足球的富勒烯，《三体》中能切割游轮的碳纳米管，以及2006年获得诺贝尔奖的石墨烯。碳纳米材料具有一些堪称神奇的物理化学性质。比如，相同体积的碳纳米管，其强度是钢的100倍，但质量仅为钢的六分之一。而石墨烯的理论强度更高达钢的200倍，可以承受的压力相当于一头大象的重量作用在铅笔头的面积上。在电学方面，碳纳米管的电导率可以达到铜的1万倍。得益于这些特性，碳纳米材料的使用范围越来越广，从电子产品到建筑基材，到处都是它们的身影。

(碳纳米管示意图。)

另一种极具潜力的纳米材料是 纳米金 。特别是在生物科技中，纳米金具有重要的研究价值，这主要由于它的三个突出优点：

（1）纳米金能与生物蛋白结合，而且不影响生物活性；

（2）金元素很容易被检测到，将纳米金标记到细胞、病毒或者其他生物大分子上，就如同给车辆装上GPS,这一性质可以用到生物成像技术中；

（3）纳米金比表面积比较大，可比较容易将药物分子结合到纳米金表面，从而增加药物的稳定性。

由于纳米材料神奇性质，在传统手段一筹莫展的地方，纳米材料却往往有惊人的表现。比如纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞小得多，于是可以利用纳米技术影响生物大分子，从而为疾病检测与治疗提供了新的手段。因此，纳米材料生物效应的研究也显得越发重要。而其中核心的问题之一是： 纳米材料如何与蛋白质作用。

学者们发现纳米材料进入生物体内会迅速吸附蛋白分子了，形成纳米颗粒-蛋白冠(nanoparticle-protein corona)，简称“纳米蛋白冠”。蛋白冠形成是一个十分复杂的过程,有很多因素影响，包括纳米材料的尺寸、形状、表面成分态等。

(建立了“纳米蛋白冠” 的原位分析方法，率先实现了“纳米蛋白冠”的元素特异、化学形态分辨等多参数同时表征；单细胞内原位检测、检测限达到飞克/μm2。)

中国学者在“纳米蛋白冠”领域具有国际领先水平。来自国家纳米科学中心和中国科学院高能物理研究所的研究团队率先揭示了碳纳米管(CNTs)与人血液蛋白形成的蛋白冠的作用机理。研究发现，蛋白分子主要通过表面的氨基酸基团与碳纳米管相互作用，从而形成蛋白冠。同时，碳纳米管表面形成的“纳米蛋白冠”，可以降低碳纳米管的细胞毒性，为设计更安全的纳米药物提供了科学依据。

在纳米金蛋白冠研究中，该团队采用同步辐射技术，研究了牛血清白蛋白与纳米金的结合方式，首次揭示了牛血清白蛋白可以通过与金形成Au-S键来形成牢固吸附的蛋白质冠。同时，也发现了细胞可以“吞噬”“纳米蛋白冠”的复合物，而不只是纳米材料本身，这纠正了以前的错误认识。因此，可利用纳米蛋白冠对纳米材料在体内代谢、细胞摄取等过程的进行调控，这对纳米药物载体、生物传感器以及微型智能医疗器械的开发都有重大指导意义。

(本项目发现了“纳米蛋白冠”的关键生物学特性，具有解毒效应和隐身效应。)

此外，该研究团队完成了纳米技术领域中国首个《新材料与标准凡尔赛公约》项目，为相关材料的研究建立了国际标准。

纳米材料蛋白冠的化学生物学特性及其机制

作者名片

排版：凝音

题图来源：图虫创意