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【热点应用】等温滴定量热仪ITC在生物分子与纳米颗粒相互作用研究中应用

发布时间:2023-01-16      点击次数:86


                                               等温滴定热量仪ITC在生物分子

                                            与纳米颗粒相互作用研究中的应用

本文由马尔文帕纳科医药行业业务发展专家范洋晶供稿

2023

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随着纳米技术的飞速发展,各种具有新颖功能的纳米颗粒(Nanoparticles,NPs)已经在多个领域展现出广泛的应用前景。纳米颗粒与生物分子之间的相互作用是应用和了解其作用机制的基础,特别是纳米颗粒与蛋白质的相互作用是当前研究的重点,但是大多数分析方法都未能阐明其背后的形成机制。因此,洞悉纳米颗粒与蛋白质的相互作用是一项具有挑战性的任务。



等温滴定量热法(Isothermal Titration Calorimetry, ITC)通过直接测量生物分子反应过程中吸收或放出的热量,为研究各种各样的生物分子相互作用提供了全面的信息。


MicroCal PEAQ-ITC 微量热仪具有样品量消耗少、灵敏度高、广泛的亲和力测量范围和可选择的高通量等优势,通过一次实验即可获取结合相关的亲和力 (KD)、化学结合计量比 (N)、焓变 (ΔH) 和熵变 (ΔS)等一整套热力学信息。


ITC 不仅是药物发现、蛋白质相互作用研究和调控的重要工具,也为深入了解蛋白质-纳米颗粒相互作用的机制奠定基础。


应 用 案 例

等温滴定量热法(ITC)


蛋白质可以吸附在大多数的纳米颗粒上,这些相互作用大部分是放热的,也有些是吸热的。大多数蛋白质-纳米颗粒相互作用的结果可以用 One set of sites 模型来拟合,各个蛋白位点和纳米颗粒的结合具有相似的亲和力。研究发现也存在适合 Two set of sites 模型的蛋白质-纳米颗粒相互作用。图1展示的细胞se素C 吸附在氨基酸包被的纳米颗粒上发生了两个结合事件,这可能是由于蛋白质构型的改变和由于更多蛋白质吸附到纳米颗粒上导致的蛋白质间相互作用。

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图1:细胞se素C(CytC)吸附在氯基酸包被的纳米颗粒(NPs)上的滴定曲线


有时也会出现传统的单套或多套位点模型无法拟合的热力学图谱,图2为 BSA 结合硫醇包被的金纳米颗粒的滴定曲线。这种结合可能是由于纳米颗粒和蛋白质的表面异质性造成的,因为一个纳米颗粒可以提供不同性质的位点供蛋白质结合,而一个蛋白质也可以使用不同的基团与纳米颗粒表面结合。

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图2:BSA结合到硫醇包被的金纳米颗粒(AuNPs)的滴定曲线


尽管蛋白质-纳米颗粒存在不同的相互作用类型,但焓熵补偿关系仍然成立。ΔH--TΔS线性图的斜率和截距被认为是复合物形成时构象变化和去溶剂化的定量衡量。

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图3:NP-蛋白质相互作用研究中的 TΔS –ΔH线性图,使用一系列大小、表面功能差异较大的NPs


ITC也可用于识别相互作用过程中可能的蛋白质聚集或变性。例如,BSA在带正电荷的金纳米颗粒上的吸附表现出两个结合事件,第一步结合的TΔS为-200 kJ mol−1,而第二步结合的TΔS 为-1000 kJ mol−1,这种异常的大熵变被认为是由蛋白聚集所导致的。

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图4:BSA结合到带正电荷的NP的滴定曲线


结论

Conclusion


生物分子-纳米颗粒相互作用的热力学研究是非常重要的,在很大程度上会影响后续的生物效应。例如,吸附蛋白的结合部分和结合强度可能决定其结构和功能的完整性。尽管许多分析技术可以用来描述蛋白质- 纳米颗粒相互作用,但很少有技术能提供像 ITC 一样多的定量信息。


等温滴定量热法是非标记和非破坏性的,通过提供一整套完整的热力学信息研究蛋白质对纳米材料的吸附,可作为一种补充技术帮助我们更好地理解蛋白质-纳米颗粒的相互作用机制。



参考文献

[1] Huang RX, Lau BLT. Biomolecule–nanoparticle interactions: Elucidation of the thermodynamics by isothermal titration calorimetry. Biochim Biophys Acta. 2016; 1860(5): 945-956.


[2] Prozeller D, Morsbach S, Landfester K. Isothermal titration calorimetry as a complementary method for investigating nanoparticle-protein interactions. Nanoscale. 2019; 11(41): 19265-19273.



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MicroCal PEAQ-ITC系统直接测定分子结合过程中吸收或者放出的热量。通过非标记的方法,在一次实验中直接测定亲和力和全套热力学参数,为研究各类生物分子(及部分非生物分子)间的相互作用提供全面而深入的信息:和力(KA或KD)、化学计量比(n)、焓变(ΔH)及熵变(ΔS)等该仪器能给出分子相互作用的完整热力学曲线。不仅能够定量的给出结合强弱,还能够透过热力学数据发掘分子相互作用的机理。

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