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【熱點應用】等溫滴定量熱儀ITC在生物分子與納米顆粒相互作用研究中應用
等溫滴定熱量儀ITC在生物分子
與納米顆粒相互作用研究中的應用
本文由馬爾文帕納科醫(yī)藥行業(yè)業(yè)務發(fā)展專家范洋晶供稿
2023
隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，各種具有新穎功能的納米顆粒（Nanoparticles，NPs）已經(jīng)在多個領域展現(xiàn)出廣泛的應用前景。納米顆粒與生物分子之間的相互作用是應用和了解其作用機制的基礎，特別是納米顆粒與蛋白質(zhì)的相互作用是當前研究的重點，但是大多數(shù)分析方法都未能闡明其背后的形成機制。因此，洞悉納米顆粒與蛋白質(zhì)的相互作用是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。
等溫滴定量熱法（Isothermal Titration Calorimetry, ITC）通過直接測量生物分子反應過程中吸收或放出的熱量，為研究各種各樣的生物分子相互作用提供了全面的信息。
MicroCal PEAQ-ITC 微量熱儀具有樣品量消耗少、靈敏度高、廣泛的親和力測量范圍和可選擇的高通量等優(yōu)勢，通過一次實驗即可獲取結(jié)合相關(guān)的親和力 (KD)、化學結(jié)合計量比 (N)、焓變 (ΔH) 和熵變 (ΔS)等一整套熱力學信息。
ITC 不僅是藥物發(fā)現(xiàn)、蛋白質(zhì)相互作用研究和調(diào)控的重要工具，也為深入了解蛋白質(zhì)-納米顆粒相互作用的機制奠定基礎。
應 用 案 例
等溫滴定量熱法（ITC）
蛋白質(zhì)可以吸附在大多數(shù)的納米顆粒上，這些相互作用大部分是放熱的，也有些是吸熱的。大多數(shù)蛋白質(zhì)-納米顆粒相互作用的結(jié)果可以用 One set of sites 模型來擬合，各個蛋白位點和納米顆粒的結(jié)合具有相似的親和力。研究發(fā)現(xiàn)也存在適合 Two set of sites 模型的蛋白質(zhì)-納米顆粒相互作用。圖1展示的細胞se素C 吸附在氨基酸包被的納米顆粒上發(fā)生了兩個結(jié)合事件，這可能是由于蛋白質(zhì)構(gòu)型的改變和由于更多蛋白質(zhì)吸附到納米顆粒上導致的蛋白質(zhì)間相互作用。
圖1：細胞se素C（CytC）吸附在氯基酸包被的納米顆粒(NPs)上的滴定曲線
有時也會出現(xiàn)傳統(tǒng)的單套或多套位點模型無法擬合的熱力學圖譜，圖2為 BSA 結(jié)合硫醇包被的金納米顆粒的滴定曲線。這種結(jié)合可能是由于納米顆粒和蛋白質(zhì)的表面異質(zhì)性造成的，因為一個納米顆?？梢蕴峁┎煌再|(zhì)的位點供蛋白質(zhì)結(jié)合，而一個蛋白質(zhì)也可以使用不同的基團與納米顆粒表面結(jié)合。
圖2：BSA結(jié)合到硫醇包被的金納米顆粒（AuNPs）的滴定曲線
盡管蛋白質(zhì)-納米顆粒存在不同的相互作用類型，但焓熵補償關(guān)系仍然成立。ΔH--TΔS線性圖的斜率和截距被認為是復合物形成時構(gòu)象變化和去溶劑化的定量衡量。
圖3：NP-蛋白質(zhì)相互作用研究中的 TΔS –ΔH線性圖，使用一系列大小、表面功能差異較大的NPs
ITC也可用于識別相互作用過程中可能的蛋白質(zhì)聚集或變性。例如，BSA在帶正電荷的金納米顆粒上的吸附表現(xiàn)出兩個結(jié)合事件，第一步結(jié)合的TΔS為-200 kJ mol?1，而第二步結(jié)合的TΔS 為-1000 kJ mol?1，這種異常的大熵變被認為是由蛋白聚集所導致的。
圖4：BSA結(jié)合到帶正電荷的NP的滴定曲線
結(jié)論
Conclusion
生物分子-納米顆粒相互作用的熱力學研究是非常重要的，在很大程度上會影響后續(xù)的生物效應。例如，吸附蛋白的結(jié)合部分和結(jié)合強度可能決定其結(jié)構(gòu)和功能的完整性。盡管許多分析技術(shù)可以用來描述蛋白質(zhì)- 納米顆粒相互作用，但很少有技術(shù)能提供像 ITC 一樣多的定量信息。
等溫滴定量熱法是非標記和非破壞性的，通過提供一整套完整的熱力學信息研究蛋白質(zhì)對納米材料的吸附，可作為一種補充技術(shù)幫助我們更好地理解蛋白質(zhì)-納米顆粒的相互作用機制。
參考文獻
[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.
相關(guān)產(chǎn)品
PEAQ-ITC 等溫滴定微量熱儀
MicroCal PEAQ-ITC系統(tǒng)直接測定分子結(jié)合過程中吸收或者放出的熱量。通過非標記的方法，在一次實驗中直接測定親和力和全套熱力學參數(shù)，為研究各類生物分子(及部分非生物分子)間的相互作用提供全面而深入的信息：親和力（KA或KD）、化學計量比（n）、焓變（ΔH）及熵變（ΔS）等。該儀器能給出分子相互作用的完整熱力學曲線。不僅能夠定量的給出結(jié)合強弱，還能夠透過熱力學數(shù)據(jù)發(fā)掘分子相互作用的機理。
關(guān)于馬爾文帕納科
馬爾文帕納科的使命是通過對材料進行化學、物性和結(jié)構(gòu)分析，打造出客戶導向型創(chuàng)新解決方案和服務，從而提高效率和產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。通過利用包括人工智能和預測分析在內(nèi)的最近技術(shù)發(fā)展，我們能夠逐步實現(xiàn)這一目標。這將讓各個行業(yè)和組織的科學家和工程師可解決一系列難題，如提高生產(chǎn)率、開發(fā)更高質(zhì)量的產(chǎn)品，并縮短產(chǎn)品上市時間。
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