新国大谢建平、天大胡文平/姚桥峰、于韦斯屈莱大学Häkkinen团队JACS：解密蛋白质与金纳米颗粒相互作用与协同效应

纳米材料已在生物医学领域展现出巨大应用潜力，其中理解纳米材料与生物大分子的相互作用是该领域的核心科学问题，直接影响其在生物成像、药物递送和纳米诊疗等应用的发展，然而实现对纳米-生物界面的分子级理解仍是巨大挑战。近日，新加坡国立大学谢建平、天津大学胡文平/姚桥峰、芬兰于韦斯屈莱大学Hannu Häkkinen的研究团队选用具有精确结构的金纳米颗粒Au₂₅(p-MBS)₁₈（p-MBS：对巯基苯磺酸）作为研究模型，结合稳态发光光谱、基质辅助激光解吸飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)，透射电子显微镜（TEM）及分子动力学模拟（MD）等技术，首次揭示了水溶性金纳米颗粒与牛血清白蛋白（BSA）之间的精确化学计量相互作用及其结合位点，并探索了两者形成的纳米颗粒-蛋白共轭体的协同效应，这一发现不仅深化了对纳米粒子与蛋白质相互作用的基本理解，还为基于纳米材料的生物医学应用提供了新的思路。未来，利用精确的配体工程策略，有望进一步开发具有更优异生物相容性和功能性的纳米-生物共轭体。该成果近期发表于Journal of the American Chemical Society 上，第一作者为新加坡国立大学张碧菡博士、于韦斯屈莱大学María Francisca Matus博士。

图1. 纳米颗粒-蛋白共轭体的形成

化学计量精确结合：通过稳态荧光光谱、动态光散射、MALDI-TOF MS及TEM等手段，证明了Au₂₅(p-MBS)₁₈可以与BSA形成稳定的且具有一定结合比例的共轭体，并且在该共轭过程中Au₂₅(p-MBS)₁₈与BSA的结构均无明显变化。同时通过调控Au₂₅(p-MBS)₁₈与BSA混合的摩尔比例，可以控制形成[Au₂₅(p-MBS)₁₈]₁–BSA和[Au₂₅(p-MBS)₁₈]₂–BSA两种具有明确分子组成的纳米颗粒-蛋白共轭体，使得在分子级层面上研究纳米-蛋白相互作用机制成为可能。

图2. Au₂₅(p-MBS)₁₈与BSA之间的化学计量比相互作用

洞悉相互作用机制：通过MD模拟，确定了BSA上两个关键的Au₂₅(p-MBS)₁₈结合位点，揭示了[Au₂₅(p-MBS)₁₈]₁–BSA和[Au₂₅(p-MBS)₁₈]₂–BSA共轭体的形成取决于BSA蛋白I和II区的带电氨基酸残基（例如：赖氨酸和组氨酸残基）与Au₂₅(p-MBS)₁₈表面配体间的静电相互作用和氢键作用力。

图3. 分子动力学模拟BSA的Au₂₅(p-MBS)₁₈结合位点

纳米颗粒-蛋白共轭体的协同效应：瞬态吸收光谱研究揭示，[Au₂₅(p-MBS)₁₈]₁–BSA共轭体中存在BSA到Au₂₅(p-MBS)₁₈的电子转移，该电子转移过程可以显著增强Au₂₅(p-MBS)₁₈在1100 nm波段的NIR-II发射强度。同时蛋白变性实验表明，BSA结构变性松散的趋势可以进一步增强Au₂₅(p-MBS)₁₈的NIR-II发射强度，而Au₂₅(p-MBS)₁₈的结构稳定性可以显著提升BSA的热稳定性。

图4. [Au₂₅(p-MBS)₁₈]₁–BSA共轭体的协同效应

潜在应用前景：该研究成果为纳米诊疗、精准药物递送和生物传感提供了新的可能，展示了利用蛋白质调控纳米材料光学性能的策略，推动下一代纳米-生物复合材料的发展。

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Unraveling the Stoichiometric Interactions and Synergism between Ligand-Protected Gold Nanoparticles and Proteins

Bihan Zhang, María Francisca Matus, Qiaofeng Yao*, Xiaorong Song, Zhennan Wu, Wenping Hu*, Hannu Häkkinen*, Jianping Xie*

J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.4c09879

通讯作者介绍

姚桥峰，天津大学理学院化学系、天津市分子光电科学重点实验室、有机集成电路教育部重点实验室英才教授、博导，入选国家级青年人才项目（2022年）、福建省级高层次人才，获2021年度国家优秀自费留学生奖学金（b类），担任Chin. J. Chem. 青年编委。先后于中国科学技术大学、新加坡国立大学获得学士（导师：俞书宏 院士）、博士（导师：Lee Jim Yang 院士、谢建平 教授）学位。长期从事金属纳米团簇的精准合成、功能化、自组装和实际应用研究，着重致力于在分子和原子层级上解析上述过程的机理。在Nat. Rev. Mater., Nat. Chem., Nat. Commun., JACS，Angewandte，Adv. Mater.等期刊上共发表论文100余篇，论文总被引>10000次，H因子59。

https://www.x-mol.com/groups/yaoqf 

胡文平，天津大学教授，天津大学常务副校长，中国科学院“百人计划”入选者，国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”创新领军人才。主要从事有机高分子光电功能材料的研究，在新型有机高分子光电功能材料的设计合成、凝聚态结构与性能的关系，光电器件的应用等方面开展了系统研究。发表SCI论文700余篇（IF>10.0的320余篇），包括Nature，Science及其子刊（16篇），Adv. Mater. (106篇)，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed. (75篇)，被SCI引用>46,000次(H因子=105)。

https://www.x-mol.com/university/faculty/26829 

Hannu Häkkinen，芬兰于韦斯屈莱大学（University of Jyväskylä）纳米科学中心教授，芬兰科学院院士，纳米科学中心计算纳米科学研究组负责人，曾任纳米科学中心科学主任（2012-2017），现任数学与科学学院副院长，全球高被引科学家。研究领域涵盖纳米材料的理论与计算研究，主要利用密度泛函理论、动力学模拟及人工智能等计算方法，对纳米材料的物理化学性质进行深入理解。近年来，Häkkinen教授团队在Nat. Chem.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Phys. Rev. Lett.等国际知名期刊上发表论文300余篇，论文被引用超30000次，谷歌H-index 80。

谢建平，新加坡国立大学化学与生物分子工程系教务长讲席教授，全球高被引科学家（Clarivate，2018-2024年），《Aggregate》副主编。先后在清华大学获得本科和硕士学位，在NUS获新加坡国立大学与美国麻省理工学院（MIT）联合培养博士学位。2010年加入新加坡国立大学后建立了研究团队，科学研究聚焦在金属纳米团簇领域。研究内容围绕金属纳米团簇的（1）精准合成、（2）可控自组装、（3）荧光性能优化与机理研究，及其在（4）生物诊断与治疗领域的基础与应用研究。近十年来，谢建平教授团队在Nat. Rev. Matter.、Nat. Chem.、Chem、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.等国际期刊上发表论文250余篇，被引35000余次，谷歌学术H-index 102。

https://www.x-mol.com/university/faculty/50210