【前沿科普】纳米膜的纳米“魔法”
作者 | 黄储涵 魏鹏
责编 | 霍麟 吉佳
诗仙李白曾作“清水出芙蓉，天然去雕饰”，寓意天然的事物胜过经人工雕琢掩饰过的，也就是说自然的才是最好的。然而在生物膜技术领域可不是这样，今天我们要介绍的主人公——纳米盘技术，就是人工制备的新型模拟天然磷脂双分子层膜环境，它具有良好的生物相容性及较长半衰期、可精准设计选择性靶向等优点[1]，为膜蛋白结构与功能研究提供了良好平台，也在生物医学临床研究领域表现出巨大的应用潜力。
纳米盘的“魔法”结构
纳米盘是一种由磷脂和膜支架蛋白（membrane scaffold proteins, MSP）颗粒自组装而成的盘状磷脂双分子层，其中的MSP颗粒是一种类似ApoA-1蛋白的人工膜支架蛋白。ApoA-1是人体中高密度脂蛋白（high-density lipoprotein, HDL）的重要组成部分，在逆向胆固醇转运（reverse chlesterol transport, RCT）过程中发挥着重要作用。ApoA-1由243个氨基酸残基组成，将其N端的43个氨基酸残基切掉后可形成一种柔软而具有韧性的MSP颗粒，能够用来制备纳米盘[2]。
膜蛋白功能研究的理想平台
膜蛋白不仅可作为细胞膜的支架结构，也在信号转导、物质运输等细胞进程中起到关键作用[3]。但由于其自身具有双亲性质，难以直接纯化，在过度表达的过程中容易产生细胞内毒性、蛋白质错误折叠、膜表面蛋白聚集等问题，这些都极大地限制了天然膜蛋白的研究[4]，而纳米盘技术则有望成为解决这些问题的有力工具之一。
当纳米盘技术与膜蛋白的纯化过程结合时，主要有两种方式（图1）。其一，首先利用去污剂或其他传统手段将膜蛋白提纯，得到纯净单一的目标膜蛋白，然后将目标蛋白与MSP颗粒以适量的摩尔比混合，加入脂质，让目标膜蛋白自聚，从而实现膜蛋白在纳米盘这种拟膜环境上表达；其二，直接将MSP颗粒引入膜蛋白混合物中，同时加入过量脂质，取得多种纳米盘结构，其中有表达目标膜蛋白的，也有干扰目标膜蛋白表达的，最后将不同纳米盘分类纯化，从而实现仅留下目标膜蛋白表达纳米盘的纯化目的[5]。
图1 利用纳米盘纯化膜蛋白的两种途径
药物载体
心血管疾病防治器
图2 循环系统高密度脂蛋白与纳米盘代谢示意图
结语
纳米盘作为一种人工制备的拟膜结构，为长期以来受结构不稳定、聚集不方便所影响的膜蛋白研究提供了更好的平台，其大小可调，能够适应不同尺寸目标膜蛋白的表达需求，可提供长半衰期、强稳定性、高可溶性和精准靶向的优势拟膜环境，已被广泛应用于膜蛋白的生产纯化、受体配体结合的药物靶点研究以及结构生物学等领域，同时在临床医学领域，纳米盘已在药物载体、疫苗制备和多种疾病的预防与治疗中展现出巨大的潜力。相信在不远的将来，小小的纳米盘能够有更加巨大的“魔法”，在生物医疗领域为我们提供更多更加新颖、更加可靠的治疗方案。（详情请点击下方阅读原文）
# 参考文献 #
[1] Kuai R, Li D, Chen Y E, et al. High-density lipoproteins: Nature's multifunctional nanoparticles. Acs Nano, 2016, 10(3): 3015-3041
[2] Munusamy S, Conde R, Bertrand B, et al. Biophysical approaches for exploring lipopeptide-lipid interactions. Biochimie, 2020, 170: 173-202
[3] Vasseur L, Cens T, Wagner R, et al. Importance of the choice of a recombinant system to produce large amounts of functional membrane protein hERG. International Journal of Molecular Sciences, 2019, 20(13): 3181
[4] Wang L, Tonggu L. Membrane protein reconstitution for functional and structural studies. Science China Life Sciences, 2015, 58(1): 66-74
[5] Denisov I G, Sligar S G. Nanodiscs for structural and functional studies of membrane proteins. Nature Structural & Molecular Biology, 2016, 23(6): 481-486
[6] Schwendeman A, Sviridov D O, Yuan W, et al. The effect of phospholipid composition of reconstituted HDL on its cholesterol efflux and anti-inflammatory properties. Journal of Lipid Research, 2015, 56(9): 1727-1737
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