新国大谢建平、天大姚桥峰团队ACS Nano综述：金属纳米团簇+蛋白质=1+1>2

金属纳米团簇（NCs）因其原子级精确结构和独特的类分子特性，在催化、生物成像等领域受到广泛关注。蛋白质以其复杂的三级结构和多样功能，成为功能化金属纳米团簇的理想伙伴。两者结合不仅赋予复合材料多功能性，更可能产生协同效应，推动其在生物医学、催化和生物传感等领域的应用。

鉴于此天津大学姚桥峰教授和新加坡国立大学谢建平教授联合发表综述，探讨了金属纳米团簇-蛋白共轭体这一新型复合材料，并系统总结了金属纳米团簇-蛋白共轭体的重要性，合成方法，表征方法，及其在生物医学、催化和生物传感领域的应用前景，并分析了目前该领域的关键挑战，包括理解结合机制、扩展共轭蛋白质类型和探索金属纳米团簇和蛋白质在共轭体中的作用等。本文以“Precision Metal Nanoclusters Meet Proteins: Crafting Next-Gen Hybrid Materials”为题，发表在ACS Nano期刊。第一作者为张碧菡博士。

【为什么要结合金属纳米团簇和蛋白质？】

图1. 设计合成金属纳米团簇-蛋白共轭体

蛋白质作为天然生物大分子，具有高度特异性和复杂的三级结构。这些特性赋予了蛋白质丰富的功能多样性，如催化活性（酶的高效和特异性催化）、分子识别（抗体对抗原的特异性识别）和分子运输（如血红蛋白的氧气运输）。此外，蛋白质具有紫外吸收（约280 nm）、芳香族氨基酸导致的可见荧光发射、源自内在手性的手性光学特性，以及对环境因素如pH、温度和离子高敏感性等，这些特性可以在构建蛋白复合材料时加以利用。

金属纳米团簇因其超小尺寸而具有离散的电子结构、强量子限域效应和可调节的光致发光特性。它们在催化、生物成像和生物医学诊断等领域展现出巨大潜力，特别是近红外II区（NIR-II）发射特性，能够实现深层组织穿透和高分辨成像。此外，金属纳米团簇还表现出仿酶活性，如过氧化物酶和氧化酶活性，成为传感、催化和治疗干预的强大工具。这些特性高度依赖于金属纳米团簇的结构和配位环境，使其成为在分子和原子层级研究金属纳米粒子-蛋白质复合物相互作用的理想模型。

将金属纳米团簇与蛋白质结合，可以利用双方的优势，创造出具有多功能性的先进复合材料。蛋白质作为模板可调控并稳定金属纳米团簇的光学、电子和催化性质，而金属纳米团簇则可赋予蛋白质框架更高的稳定性、催化活性，甚至是手性特性。例如，金属纳米团簇与蛋白质的相互作用能够增强纳米团簇的光学特性，提高生物传感应用中的灵敏度。同样，将金属纳米团簇与催化活性蛋白或酶结合，可以提高共轭体的活性和特异性，为生物催化提供新的平台。此外，这种结合还可能产生单一组分中未曾观察到的协同效应，尽管这种协同效应尚未被充分探索，仍需进一步研究

【如何合成金属纳米团簇-蛋白共轭体】

1.直接合成：在蛋白质存在下，通过还原剂或蛋白质自身的还原性基团直接还原金属前驱体合成金属纳米团簇-蛋白共轭体。这种方法操作简便高效，但可能破坏蛋白质的结构并对其原有生物活性造成不可逆的影响。

图2. 直接法合成金属团簇-蛋白共轭体

2.后期修饰：将预先合成的金属纳米团簇通过非共价互作或化学反应与蛋白质结合形成金属纳米团簇-蛋白共轭体，该方法可以保持蛋白质的天然结构和功能并适用于多种蛋白质体系。

图3.间接法合成金属团簇-蛋白共轭体

【如何表征金属纳米团簇-蛋白共轭体？】

理解金属纳米团簇-蛋白质共轭体的行为、功能和潜在应用，依赖于四个关键参数的精确表征：

1.结合化学计量比：通过质谱分析（MALDI-TOF-MS）和动态光散射（DLS）光谱等手段，确定金属纳米团簇与蛋白质之间的结合化学计量比，给出共轭体分子式。

2.结合位点：利用X射线光电子能谱（XPS）和圆二色谱（CD）光谱等分析等方法，揭示金属纳米团簇在蛋白质分子中的具体结合位置，分析结合对蛋白质二级结构的影响。

3.结合亲和力：采用等温滴定量热法（ITC）和荧光光谱（PL）等技术测定金属纳米团簇与蛋白质的结合强度，提供结合热力学信息。

4.共轭构象：使用透射电子显微镜（TEM）和核磁共振（NMR）等技术研究共轭物的三维空间结构，揭示结合后蛋白质的构象变化和纳米团簇在蛋白模板中的分布状态。

【如何应用金属纳米团簇-蛋白质共轭体？】

生物医学：金属纳米团簇-蛋白质共轭体在肿瘤定向成像、药物递送和治疗方面展现出优异性能。例如，合成的NIR-II发光金纳米团簇与BSA共轭，可实现肿瘤的精准成像。

图4. 金属团簇-蛋白共轭体在生物医学上的应用

催化：金属纳米团簇可以作为仿酶在催化反应中进行高效催化，与蛋白质共轭后，能够提升催化活性和选择性，在环境检测和生物催化方面具有广泛应用。

图5. 金属团簇-蛋白共轭体在催化上的应用

生物传感：基于金属纳米团簇的发光特性，金属纳米团簇-蛋白质共轭体可以装配成高效能生物传感器，对多种生物分子进行灵敏检测。

图6. 金属团簇-蛋白共轭体在生物传感上的应用

【未来挑战与展望】

·明确结合机制：目前金属纳米团簇与蛋白质的结合机制尚不明确，需要更深入的结构表征与理论模拟。

·拓展蛋白质类型：当前研究多集中于BSA等模型蛋白，未来可探索更多功能性蛋白和合成多肽与金属纳米团簇结合。

·开发手性催化与多步串联反应：利用蛋白质的手性环境，实现金属纳米团簇的对映选择性催化，拓展其在复杂催化体系中的应用。

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。

谢建平，新加坡国立大学化学与生物分子工程系教授，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。

来源：高分子科学前沿

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