多孔氮化石墨烯（C2N）纳米材料的生物效应探索

随着纳米科技的快速发展，诸多二维单层纳米材料相继出现，如石墨烯（Graphene）、过渡金属硫族化物、磷烯（Phosphorene）、氮化硼（h-BN）等。二维纳米材料在药物输送、基因检测、肿瘤成像和生物传感设备等生物和医学相关领域表现出日益重要的应用价值。特别是以石墨烯为代表的二维材料，该类材料比表面积大，能够搭载药物或具有生物医药功能的生物分子（蛋白、DNA、RNA等），可以作为良好的药物输送载体，在生物医学领域的研究日益深入。

纳米材料进入人体后，势必会对生物分子的结构和功能造成影响。研究结果表明，这些材料引入生物系统中会对活细胞产生潜在的毒性，且纳米材料水溶性差（如石墨烯和MoS₂），从而降低了其在生物医药方面的利用效率。寻找水溶性良好的纳米材料、探索生物分子与纳米材料的相互作用机制、预测纳米材料的生物效应和潜在生物毒性对于指导相关实验研究十分重要。

图1. C₂N材料对HP35蛋白的吸附研究

苏州大学定量生物与医学中心（Institute of Quantitative Biology and Medicine）主任周如鸿教授（点击查看介绍）领导的团队利用理论模拟的手段研究了一种新型的二维纳米材料多孔氮化石墨烯（C₂N）的生物效应。C₂N的结构（图1A）与石墨烯相似，主要由sp²杂化的碳原子组成。但与石墨烯不同的是，C₂N的平面存在周期性的小孔，孔的边界由氮原子组成，导致电子在氮原子富集，因而C₂N材料具有比石墨烯更好的水溶性。基于这种材料，他们采用动力学模拟的方法开展了两方面的工作：

（1）C₂N对蛋白质的吸附和良好生物相容性

周如鸿教授团队选取HP35蛋白（chicken villin headpiece subdomain protein）作为研究对象，研究蛋白质在C₂N材料表面吸附和构象变化的动力学过程。数据表明蛋白质能够吸附到C₂N的表面与之形成稳定的结合，而C₂N的吸附不会引起蛋白质结构发生明显的变化（图1B），由此说明C₂N材料具有良好的生物相容性。更有趣的是，由于C₂N固有的周期性孔洞结构导致的静电势（图1C）可以吸附赖氨酸、天冬氨酸这种带电的氨基酸，使得蛋白质在结合位点十分稳定。他们通过伞状采样方法发现，蛋白质在C₂N上的吸附位置很固定，高自由能势垒导致蛋白质几乎不能做平移运动（图1D、1E）。

这一成果近期发表在Small 上¹，第一作者为苏州大学的博士研究生李保玉，通讯作者为苏州大学定量生物与医学中心的周如鸿教授和李伟峰副教授。

（2）C₂N表面DNA的垂直吸附和良好稳定性

在另一项工作中，周如鸿教授团队研究了双链DNA分子吸附到C₂N纳米材料表面的情况，并发现其独特的结合模式。他们发现双链DNA能够垂直地结合在C₂N表面（图2A），这种结合模式与初始构象无关。无论DNA和C₂N如何放置，它们最终都能形成垂直的结合模式。在结合过程中，双链间的Watson-Crick氢键几乎没有破坏，双链DNA的结构也保持完好。与蛋白质的研究结果类似，DNA在C₂N上位置固定，平移运动完全被抑制。进一步的分析发现，这种特异性结合主要由范德华和静电作用主导。此外，C₂N表面特殊周期结构的第一水合层（图2B）导致DNA和蛋白质吸附后不能平滑移动。在与石墨烯的对比模拟中，C₂N材料对DNA分子也表现出良好的生物相容性（图2C、2D）。

图2、C₂N材料对双链DNA的吸附研究

这一研究成果发表在ACS Nano 上²，第一作者为苏州大学的博士研究生顾宗林，通讯作者为苏州大学定量生物与医学中心的周如鸿教授和李伟峰副教授。

周如鸿教授领导的团队通过实验和模拟相结合预测C₂N具有良好的生物相容性。该研究成果有利于发展新型的生物分子/纳米材料复合物，这种复合物能够利用C₂N纳米结构作为模板定向地结合各种生物分子，从而设计出具有特殊生命和医学用途的新型纳米材料。研究成果可以为相关实验提供很好的理论支持并推动实验开展。

1. 该论文作者为：Baoyu Li, Weifeng Li, Jose Manuel Perez-Aguilar, Ruhong Zhou

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Mild Binding of Protein to C₂N Monolayer Reveals Its Suitable Biocompatibility

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

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

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Orientational Binding of DNA Guided by the C₂N Template

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

导师介绍

周如鸿

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