磁性纳米颗粒在蛋白质表达中的应用

在过去的二十年里，人们对分子生物学、基因组学和纳米技术的认识有了突破。这三个学科的交汇，开辟了新的研究领域——生物纳米技术和纳米生物医学技术。另外地，纳米材料的合成和表征方面的巨大进步，也使得科学家能够在分子或细胞水平上理解和控制纳米材料（包括纳米线、纳米纤维、纳米颗粒、纳米带和纳米管）与生物实体（包括核酸、蛋白质或细胞）之间的相互作用。这些进步保证了生命科学领域的巨大成就。例如，最近成功合成的单分散磁性纳米颗粒（MNPs），最初用于高密度磁存储介质，这也为MNPs在生物医学应用中的进一步发展提供了基础。Weissleder和他的团队证明，MNPs可以应用于MRI中，以监测特定的酶和检测病毒。Cheon等人报道了多功能磁性纳米晶体在体内检测癌症的应用。Willner等人的研究表明，MNPs可以作为磁开关，诱导选择性生物电催化，检测癌症，并扩增DNA检测。以上例子展示了MNPs在生命科学中的潜力。

利用磁性纳米颗粒进行蛋白质分离

有效操控蛋白质对于生命科学的研究和应用至关重要。特别是对于蛋白质组学来说，纯化天然蛋白或重组蛋白的常规工作确实需要很长时间。然而，NTA端接 MNPs的成功合成为蛋白质分离提供了一个简单而通用的平台。由于MNPs（8 ~ 10 nm）高表面体积比、快速移动和良好分散性的特性，比金属螯合亲和层析（MCAC）中应用的微米级树脂或微珠性能更好，可以在极大程度上提高Ni-NTA与组氨酸标记的蛋白质之间的结合率。此外，高表面体积比也增强了纳米颗粒（NPs）的蛋白质结合能力。靶蛋白迅速覆盖NPs表面，这可以迅速减少可用于蛋白质非特异性吸收的总体未占用表面积。因此，NPs具有比微粒高得多的特异性。此外，因为磁铁可以很容易地分离靶蛋白，NTA端接的MNPs可以消除细胞裂解液的预处理（图 1）。

图1：磁铁吸引FePt-NTA- Ni（II）（NTA端接的FePt MNPs）和FePt-NTA-Ni（II）-6xHis-GFP的照片

利用磁性纳米颗粒进行病原体检测

使用MNPs可以快速和超灵敏地检测细菌和病毒等病原体，而无需进行孵育或PCR扩增等耗时的程序，显示出明显的临床益处。但在细菌预富集（通过接种过程）之前，这种检测方法无法检测低浓度（例如10² cfu/mL）的细菌。使用FePt- Van MNPs（将万古霉素附着在FePt MNPs上），可以在一小时内捕获和检测浓度低于10² cfu/mL的多种细菌。将FePt-Van MNPs与细菌溶液孵育10分钟后，可以使用点磁铁轻松吸引与FePt-Van MNPs结合的细菌。然后，细菌和FePt-Van MNPs在磁力作用下形成聚集体。使用FePt-NH₂（FePt NPs与胱胺反应）作为对照进行相同的程序（图 2）。发现FePt-Van MNPs 确实捕获了细菌菌株，而 FePt- NH₂无法与任何细菌结合。

图2：（a）FePt-Van MNPs通过合理的多价相互作用捕获细菌和（b）相应的对照实验

磁性纳米颗粒的进一步应用

除了具有高特异性和高灵敏度从混合物中分离靶标的独特能力外，MNPs还可以通过偶联抗体作为亲和力标签，在电子显微照片中阐明特定的生物相互作用。

具有生物功能的MNPs作为标记在细胞上定位配体-受体相互作用的能力表明， 将MNPs与其他标记偶联以扩展TEM或SEM以外的读出方法是值得的。量子点是有吸引力的标签候选者之一，因为它们具有优异的光学特性。然而，将单个反应基团或分子附着在MNP或量子点上是不可能的，并且在没有交联的情况下使用有机连接剂将MNP直接与量子点连接是非常困难的。因此，研究人员设计了一种简单的策略，将MNP和量子点作为异源二聚体连接起来。两种纳米晶体的异源二聚体保留了其离散部分（FePt和CdS）的特性。换句话说，异源二聚体既具有FePt的超顺磁性行为，又具有CdS的荧光性。应该有可能将FePt偶联到生物活性分子上，以构建具有生物功能的异源二聚体。另一个吸引人的标签是银NPs，因为它们具有通过表面增强拉曼光谱（SERS）信号探测生物系统的价值。

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