多孔氮化石墨烯納米材料的生物效應探索

科技 09-12

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隨著納米科技的快速發展，諸多二維單層納米材料相繼出現，如石墨烯（Graphene）、過渡金屬硫族化物、磷烯（Phosphorene）、氮化硼（h-BN）等。二維納米材料在藥物輸送、基因檢測、腫瘤成像和生物感測設備等生物和醫學相關領域表現出日益重要的應用價值。特別是以石墨烯為代表的二維材料，該類材料比表面積大，能夠搭載藥物或具有生物醫藥功能的生物分子（蛋白、DNA、RNA等），可以作為良好的藥物輸送載體，在生物醫學領域的研究日益深入。

納米材料進入人體後，勢必會對生物分子的結構和功能造成影響。研究結果表明，這些材料引入生物系統中會對活細胞產生潛在的毒性，且納米材料水溶性差（如石墨烯和MoS2），從而降低了其在生物醫藥方面的利用效率。尋找水溶性良好的納米材料、探索生物分子與納米材料的相互作用機制、預測納米材料的生物效應和潛在生物毒性對於指導相關實驗研究十分重要。

圖1. C2N材料對HP35蛋白的吸附研究

蘇州大學定量生物與醫學中心（Institute of Quantitative Biology and Medicine）主任周如鴻教授領導的團隊利用理論模擬的手段研究了一種新型的二維納米材料多孔氮化石墨烯（C2N）的生物效應。C2N的結構（圖1A）與石墨烯相似，主要由sp2雜化的碳原子組成。但與石墨烯不同的是，C2N的平面存在周期性的小孔，孔的邊界由氮原子組成，導致電子在氮原子富集，因而C2N材料具有比石墨烯更好的水溶性。基於這種材料，他們採用動力學模擬的方法開展了兩方面的工作：

（1）C2N對蛋白質的吸附和良好生物相容性

周如鴻教授團隊選取HP35蛋白（chicken villin headpiece subdomain protein）作為研究對象，研究蛋白質在C2N材料表面吸附和構象變化的動力學過程。數據表明蛋白質能夠吸附到C2N的表面與之形成穩定的結合，而C2N的吸附不會引起蛋白質結構發生明顯的變化（圖1B），由此說明C2N材料具有良好的生物相容性。更有趣的是，由於C2N固有的周期性孔洞結構導致的靜電勢（圖1C）可以吸附賴氨酸、天冬氨酸這種帶電的氨基酸，使得蛋白質在結合位點十分穩定。他們通過傘狀採樣方法發現，蛋白質在C2N上的吸附位置很固定，高自由能勢壘導致蛋白質幾乎不能做平移運動（圖1D、1E）。

這一成果近期發表在Small上1，第一作者為蘇州大學的博士研究生李保玉，通訊作者為蘇州大學定量生物與醫學中心的周如鴻教授和李偉峰副教授。

（2）C2N表面DNA的垂直吸附和良好穩定性

在另一項工作中，周如鴻教授團隊研究了雙鏈DNA分子吸附到C2N納米材料表面的情況，並發現其獨特的結合模式。他們發現雙鏈DNA能夠垂直地結合在C2N表面（圖2A），這種結合模式與初始構象無關。無論DNA和C2N如何放置，它們最終都能形成垂直的結合模式。在結合過程中，雙鏈間的Watson-Crick氫鍵幾乎沒有破壞，雙鏈DNA的結構也保持完好。與蛋白質的研究結果類似，DNA在C2N上位置固定，平移運動完全被抑制。進一步的分析發現，這種特異性結合主要由范德華和靜電作用主導。此外，C2N表面特殊周期結構的第一水合層（圖2B）導致DNA和蛋白質吸附後不能平滑移動。在與石墨烯的對比模擬中，C2N材料對DNA分子也表現出良好的生物相容性（圖2C、2D）。

圖2、C2N材料對雙鏈DNA的吸附研究

這一研究成果發表在ACS Nano上2，第一作者為蘇州大學的博士研究生顧宗林，通訊作者為蘇州大學定量生物與醫學中心的周如鴻教授和李偉峰副教授。

周如鴻教授領導的團隊通過實驗和模擬相結合預測C2N具有良好的生物相容性。該研究成果有利於發展新型的生物分子/納米材料複合物，這種複合物能夠利用C2N納米結構作為模板定向地結合各種生物分子，從而設計出具有特殊生命和醫學用途的新型納米材料。研究成果可以為相關實驗提供很好的理論支持並推動實驗開展。

1. 該論文作者為：Baoyu Li, Weifeng Li, Jose Manuel Perez-Aguilar, Ruhong Zhou

Mild Binding of Protein to C2N Monolayer Reveals Its Suitable Biocompatibility

Small,2017,13, 1603685, DOI: 10.1002/smll.201603685

2. 該論文作者為：Zonglin Gu, Lin Zhao, Shengtang Liu, Guangxin Duan, Jose Manuel Perez-Aguilar, Judong Luo, Weifeng Li and Ruhong Zhou

Orientational Binding of DNA Guided by theC2N Template

ACS Nano,2017,11, 3198, DOI: 10.1021/acsnano.7b00236

導師介紹

周如鴻

http://www.x-mol.com/university/faculty/41611

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