Nature Protocols | 中国科学院王方军团队发布蛋白质—纳米材料界面相互作用的结构质谱表征实验手册

了解蛋白质和材料如何相互作用有助于生物医学微/纳米材料的安全性评估、纳米药物的毒性评估和设计以及生物无机功能杂合体的催化活性提高。然而，表征蛋白质-微/纳米杂交体的界面分子细节仍然是一个巨大的挑战。

2023年7月17日，中国科学院大连化学物理研究所王方军团队在Nature Protocols 在线发表题为“Structural characterization of proteinmaterial interfacial interactions using lysine reactivity profiling-mass spectrometry”的研究论文，该研究描述了赖氨酸反应性分析-质谱分析策略，用于确定蛋白质的哪些部分与微/纳米材料相互作用。赖氨酸残基经常出现在亲水性蛋白表面，其反应性取决于其胺基的可及性。赖氨酸残基与其他物体接触时，其可及性较低；这种相互作用产生的变构效应可能降低或增加远端赖氨酸残基的反应性。

因此，赖氨酸反应性是蛋白质-材料杂交种中蛋白质定位取向、相互作用序列区域、结合位点和调节蛋白质结构的有用指标。该研究描述了优化的两步同位素二甲基标记策略的蛋白质材料杂交种在其原生条件和变性条件。赖氨酸反应性的比较定量结果仅依赖于赖氨酸局部结构的原生微环境。该研究还强调了其他关键步骤，包括蛋白质消化，从材料中洗脱，数据处理和界面结构分析。

微纳米材料在各种生物应用中发挥着核心作用，包括基于纳米材料的药物递送、纳米药物、生物医学材料、生物传感器和生物无机催化杂交物。在许多这些应用中，它们与蛋白质的相互作用是重要的：要么是因为它是功能所必需的，要么是因为它干扰了功能。了解蛋白质-材料界面的分子结构将有助于生物医学材料的安全性评价、毒性评估和纳米药物的合理设计以及生物无机杂合物催化活性的提高。在蛋白质-材料相互作用是功能核心的应用中，蛋白质在材料表面的最佳整合通常是一个复杂的过程，这取决于蛋白质和材料的物理和化学性质。

在该方案中，作者描述了赖氨酸反应性分析(LRP)，这是一种结构质谱(MS)策略，用于探测蛋白质与微/纳米材料之间界面相互作用的分子结构见解。这种LRP-MS策略使用赖氨酸残基作为内源性探针来监测相互作用界面和由材料结合调节的蛋白质构象变化。通过标记材料结合前后赖氨酸残基的反应性变化，可以确定界面相互作用的详细序列区域甚至结合位点。

蛋白质-材料界面相互作用的结构表征工作流程使用赖氨酸反应性分析-质谱法（图源自Nature Protocols ）

近年来，这一策略已被成功地用于阐明刺突(S)蛋白的受体结合域(RBD)与超薄2D CuInP2S6 (CIPS)纳米片的界面分子细节，用于消除病毒，钙分子筛表面凝血酶激活机制以及光系统II (PSII)蛋白复合物在半导体纳米材料Ru/SrTiO3：Rh和Ru2S3/CdS上的太阳能-化学能转换。通过对界面分子结构的深入了解，LRP-MS分析结果可为生物医学和生物催化领域功能蛋白-材料复合物的合理设计、安全性评价和活性改进提供依据。例如，LRP-MS结果表明，Ru2S3/CdS纳米材料的疏水表面诱导了PSII功能结构的展开，导致PSII- Ru2S3/CdS杂化体的O2演化活性较低。用生物相容性鱼精蛋白对Ru2S3/CdS的疏水表面进行预修饰后，杂合物的臭氧演化活性提高了83.3%。

此外，该方法也存在一定的限制。LRP-MS的主要限制是只能探测蛋白质结构中赖氨酸残基的序列区域，这意味着无法表征已知缺乏赖氨酸残基的蛋白质结构域，如跨膜结构域。尽管大多数涉及蛋白质表面的相互作用都含有赖氨酸残基，但针对更多类型氨基酸残基的改进标记方法将大大提高探测蛋白质-物质界面的序列覆盖率。该方法的另一个限制是，标记试剂不能区分伯胺和仲胺基团;因此，任何具有这些官能团的材料也会被标记。如果材料中含有胺基，则标记试剂的浓度和反应条件需要进一步优化。

该工作的共同第一作者是大连化物所副研究员刘哲益、博士研究生杨诗蕊、联合培养硕士研究生周伶强。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、大连化物所创新基金等项目的资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41596-023-00849-0

转自：“iNature”微信公众号

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