金ナノ粒子-β-ラクトグロブリンコロナ複合体の変調された形成とその応用を探る

Probing the modulated formation of gold nanoparticles-beta-lactoglobulin corona complexes and their applications.

• Jiang Yang
• Bo Wang
• Youngsang You
• Woo-Jin Chang
• Ke Tang
• Yi-Cheng Wang
• Wenzhao Zhang
• Feng Ding
• Sundaram Gunasekaran

抄録

タンパク質とナノ粒子（NP）の間の相互作用を理解することは、基礎となる構造的および動的な情報とともに、生物医学的応用のためにナノテクノロジーを利用するために最も重要である。ナノ粒子表面に吸着すると、タンパク質はコロナと呼ばれるよく組織化された層を形成し、この層がナノ粒子-タンパク質複合体のアイデンティティを決定し、その生物学的経路を支配する。このコロナは、NP-タンパク質複合体のアイデンティティを決定し、その生物学的経路を決定するものである。本研究では、一般的な食品ベースのタンパク質であるウシβ-ラクトグロブリン（β-LG）と金ナノ粒子（AuNP）のバイオナノ界面の分子的洞察と構造解析を行い、分子シミュレーションと相補的な実験を組み合わせたコロナ複合体の形成に関する研究について報告する。β-LGの2つの主要な結合部位がクエン酸を媒介とした静電相互作用によって駆動されていることが明らかになり、それに伴う結合速度論と二次構造の構造変化も特徴づけられた。さらに重要なことは、コロナの優れた安定性により、スマートフォンを用いた大腸菌（大腸菌）のポイントオブケアバイオセンシングや、GI耐性と機能を調べるための経口投与による消化管（GI）のCT（コンピュータ断層撮影）など、バイオメディカルへの応用をさらに探求することにつながったことです。生体適合性、食用性、排便による効率的な排泄を考慮すると、AuNPs-β-LGコロナ複合体は、将来のin vitroおよびin vivo臨床の場で有望な展望を示しています。

Understanding the interactions between proteins and nanoparticles (NPs) along with the underlying structural and dynamic information is of utmost importance to exploit nanotechnology for biomedical applications. Upon adsorption onto a NP surface, proteins form a well-organized layer, termed the corona, that dictates the identity of the NP-protein complex and governs its biological pathways. Given its high biological relevance, in-depth molecular investigations and applications of NPs-protein corona complexes are still scarce, especially since different proteins form unique corona patterns, making identification of the biomolecular motifs at the interface critical. In this work, we provide molecular insights and structural characterizations of the bio-nano interface of a popular food-based protein, namely bovine beta-lactoglobulin (β-LG), with gold nanoparticles (AuNPs) and report on our investigations of the formation of corona complexes by combined molecular simulations and complementary experiments. Two major binding sites in β-LG were identified as being driven by citrate-mediated electrostatic interactions, while the associated binding kinetics and conformational changes in the secondary structures were also characterized. More importantly, the superior stability of the corona led us to further explore its biomedical applications, such as in the smartphone-based point-of-care biosensing of Escherichia coli (E. coli) and in the computed tomography (CT) of the gastrointestinal (GI) tract through oral administration to probe GI tolerance and functions. Considering their biocompatibility, edible nature, and efficient excretion through defecation, AuNPs-β-LG corona complexes have shown promising perspectives for future in vitro and in vivo clinical settings.