量子点与蛋白质相互作用热力学

引用本文: 颜稔, 赖璐, 许子强, 蒋风雷, 刘义. 量子点与蛋白质相互作用热力学[J]. 物理化学学报, 2017, 33(12): 2377-2387. doi: 10.3866/PKU.WHXB201706096 shu

Citation: YAN Ren, LAI Lu, XU Zi-Qiang, JIANG Feng-Lei, LIU Yi. Thermodynamics of the Interactions between Quantum Dots and Proteins[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(12): 2377-2387. doi: 10.3866/PKU.WHXB201706096 shu

量子点与蛋白质相互作用热力学

颜稔 ^1, ,
赖璐 ^2, ,
许子强 ^3, ,
蒋风雷 ^1, ,
刘义 ^1,

1.
武汉大学化学与分子科学学院, 武汉 430072;
2.
长江大学化学与环境工程学院, 湖北荆州 434023;
3.
湖北大学材料科学与工程学院, 武汉 430062
基金项目:
国家自然科学基金（21573168，21303126，21473125，21403017，21603067）和国家杰出青年科学基金（21225313）资助项目

摘要: 量子点（QDs）具有宽激发窄发射、量子产率高、发射波长可调和抗光漂白等优异的光学性质，因而在生物医学成像与示踪、生物传感等方面有着广泛的应用前景。量子点进入生命体系后，首先会遇到蛋白质，量子点与蛋白质之间发生相互作用后，蛋白质的结构和功能会因此发生变化，量子点的性能及应用也会发生改变。研究量子点与蛋白质的相互作用规律，可以为量子点的精细设计、高效应用以及生物安全性评价提供理论依据。本文在总结国内外相关文献和本课题组工作的基础上，介绍了量子点与蛋白质相互作用的热力学方法；重点从热力学角度揭示量子点与蛋白质相互作用的机制。

关键词:

English

Thermodynamics of the Interactions between Quantum Dots and Proteins

1.
College of Chemistry and Molecular Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, P. R. China;
2.
College of Chemistry and Environmental Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023, Hubei Province, P. R. China;
3.
Faculty of Materials Science & Engineering, Hubei University, Wuhan 430062, P. R. China
Received Date: 07 April 2017
Revised Date: 22 May 2017
Fund Project:
The project was supported by the National Science Foundation of China (21573168, 21303126, 21473125, 21403017, 21603067) and National Science Fund for Distinguished Young Scholars, China (21225313).

Abstract: Quantum dots (QDs) exhibit excellent properties, such as broad absorption, narrow emission, high photoluminescence quantum yields, tunable emission wavelength, and anti-photobleaching. As a result, QDs have important applications in biological imaging, tracking, and sensing. When QDs enter living systems, they first encounter proteins. The interactions between proteins and QDs significantly influence the structures and functions of the proteins, as well as the performance of the QDs in applications. Studies on the interactions between QDs and proteins can provide a theoretical basis for the design, efficient application, and safety evaluation of QDs. Herein we have summarized methods for characterizing the thermodynamics of QD-protein interactions, on the basis of previous work by both our group and others. We also highlight the thermodynamic mechanisms of the QD-protein interactions.

Key words:

1. [1]
  (1) Wang, F.; Tan, W. B.; Zhang, Y.; Fan, X. P.; Wang, M. Q. Nanotechnology 2005, 17, R1. doi: 10.1088/0957-4484/17/1/R01
2. [2]
  (2) Ruan, G.; Agrawal, A.; Marcus, A. I.; Nie. S. M. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 14759. doi: 10.1021/ja074936k
3. [3]
  (3) Gao, X.; Cui, Y.; Levenson. R. M.; Chung. L. W.; Nie, S. M. Nat. Biotech. 2004, 22, 969. doi: 10.1038/nbt994
4. [4]
  (4) Michalet, X.; Pinaud. F. F.; Bentolila, L. A.; Tsay, J. M.; Doose, S.; Li, J. J.; Sundaresan, G.; Wu, A. M.; Gambhir, S. S.; Weiss, S. Science 2005, 307, 538. doi: 10.1126/science.1104274
5. [5]
  (5) Yong, K. T.; Law, W. C.; Hu, R.; Ye, L.; Liu, L.W.; Swihart, M. T.; Prasad, P. N. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 1236. doi: 10.1039/c2cs35392j
6. [6]
  (6) Dumas, E. M.; Ozenne, V.; Mielke, R. E.; Nadeau, L.J. IEEE. T. Nanobiosci. 2009, 8, 58. doi: 10.1109/TNB.2009.2017313
7. [7]
  (7) Bottrill, M.; Green, M. Chem. Commun. 2011, 47, 7039. doi: 10.1039/C1CC10692A
8. [8]
  (8) Vannoy, C. H.; Leblanc, R. M. J. Phys. Chem. B 2010, 114, 10881. doi: 10.1021/jp1045904
9. [9]
  (9) Atay, Z.; Biver, T.; Corti, A.; Eltugral, N.; Lorenzini, E.; Masini, M.; Paolicchi, A.; Pucci, A.; Ruggeri, G.; Secco, F.; Venturini, M. J. Nanopart. Res. 2009, 12, 2241. doi: 10.1007/s11051-009-9791-y
10. [10]
  (10) Li, J. H.; Zhang, Y.; Xiao, Q.; Tian, F. F.; Liu, X. R.; Li, R.; Zhao, G. Y.; Jiang. F. L.; Liu, Y. J. Hazard. Mater. 2011, 194, 440. doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.07.113
11. [11]
  (11) Lu, Z.; Li, C. M.; Bao, H. F.; Qiao, Y.; Toh, Y.; Yang, X. Langmuir 2008, 24, 5445. doi: 10.1021/la704075r
12. [12]
  (12) Derfus, A. M.; Chan, W. C. W.; Bhatia, S. N. Nano Lett. 2004, 4, 11. doi: 10.1021/nl0347334
13. [13]
  (13) Hoshino, A.; Fujioka, K.; Oku, T.; Suga, M.; Sasaki, Y. F.; Ohta, T.; Yasuhara, M.; Suzuki K.; Yamamoto, K. Nano Lett. 2004, 4, 2163. doi: 10.1021/nl048715d
14. [14]
  (14) Chibli, H.; Carlini, L.; Park, S.; Dimitrijevic, N. M.; Nadeau, J. L. Nanoscale 2011, 3, 2552. doi:10.1039/c1nr10131e
15. [15]
  (15) Werlin, R.; Priester, J. H.; Mielke, R. E.; Krämer, S.; Jackson, S.; Stoimenov, P. K.; Stucky, G. D.; Cherr, G. N.; Orias, E.; Holden, P. A. Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 65. doi: 10.1038/nnano.2010.251
16. [16]
  (16) Donaldson, K..; Brown, D.; Clouter, A.; Duffin, R.; MacNee, W.; Renwick, L.; Tran, L.; Stone, V. J. Aerosol. Med. 2002, 15, 213. doi: 10.1089/089426802320282338
17. [17]
  (17) Safi, J.; Courtois, J.; Seigneuret, M.; Conjeaud, H.; Berret, J. F. Biomaterials 2011, 32, 9353. doi: 10.1016/j.biomaterials.2011.08.048
18. [18]
  (18) Wu, X. Y.; Liu, H. J.; Liu, J. Q.; Haley, K. N.; Treadway, J. A.; Larson, J. P.; Ge, N. F.; Peale, F.; Bruchez, M. P. Nat. Biotechnol. 2003, 21, 41. doi: 10.1038/nbt764
19. [19]
  (19) Chen, L. N.; Wang, J.; Li, W. T.; Han, H. Y. Chem. Commun. 2012, 48, 4971. doi: 10.1039/C2CC31259J
20. [20]
  (20) Voura, E. B.; Jaiswal, J. K.; Mattoussi, H.; Simon, S. M. Nat. Med. 2004, 10, 993. doi:10.1038/nm1096
21. [21]
  (21) Hadjipanayis, C. G.; Machaidze, R.; Kaluzova, M.; Wang, L.; Schuette, A. J.; Chen, H.; Wu, X.; Mao, H. Cancer Res. 2010, 70, 6303. doi:10.1158/0008-5472.CAN-10-1022
22. [22]
  (22) Huang, B. X.; Kim, H. Y.; Dass, C. J. Am. Soc. Mass. Spectrum 2004, 15, 1237. doi: 10.1016/j.jasms.2004.05.004
23. [23]
  (23) Robertson, A.; Brodersen, R. Dev. Pharmacol. Ther. 1991, 17, 95.
24. [24]
  (24) Vorum, H.; Honoré, B. J. Pharm. Pharmacol. 1996, 48, 870. doi:10.1111/j.2042-7158.1996.tb03990.x
25. [25]
  (25) Freeman, R.; Gill, R.; Shweky, I.; Kotler, M.; Banin. U.; Willner, I. Angew. Chem. 2009, 121, 315. doi: 10.1002/anie.200803421
26. [26]
  (26) He, X. M.; Carter, D. C. Nature 1992, 358, 209. doi: 10.1038/358209a0
27. [27]
  (27) Xiao, J. B.; Chen, L. C.; Yang, F.; Liu, C. X.; Bai, Y. L. J. Hazard. Mater. 2010, 182, 696. doi: 10.1016/j.jhazmat.2010.06.088
28. [28]
  (28) Xu, Z. Q.; Yang, Q. Q.; Lan, J. Y.; Zhang, J. Q.; Wu, P.; Jin, J. C.; Jiang, F. L.; Liu, Y. J. Hazard. Mater. 2016, 301, 242. doi: 10.1016/j.jhazmat.2015.08.062
29. [29]
  (29) Wei, X. L.; Zhang, X. G.; Jiang, H. Y.; Wei, S. C.; Sun, N. N.; Chen, X. Clinical Focus 2011, 26
30. [30]
  (18), 1623 [魏新亮, 张秀刚, 姜红玉, 魏思忱, 孙宁宁, 陈霞. 临床荟萃, 2011, 26
31. [31]
  (18), 1623.] doi: [32]
  (2011)18-1623-02]" target=_blank>1004-583X
32. [33]
  (2011)18-1623-02]
33. [34]
  (30) Huang, R. X.; Lau, B. L. Biochim. Biophys. Acta 2016, 1860, 945. doi: 10.1016/j.bbagen.2016.01.027
34. [35]
  (31) Cedervall, T.; Lynch, I.; Lindman, S.; Berggard, T.; Thulin, E.; Nilsson, H.; Dawson, K. A.; Linse, S. P. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104, 2050. doi:10.1073/pnas.0608582104
35. [36]
  (32) Nel, A. E.; Madler, L.; Velegol, D.; Xia, T.; Hoek, E. M.; Somasundaran, P.; Klaessig, F.; Castranova, V.; Thompson, M. Nat. Mater. 2009, 8, 543. doi:10.1038/nmat2442
36. [37]
37. [38]
  (33) Goy-Lopez, S.; Juarez, J.; Alatorre-Meda, M.; Casals, E.; Puntes, V. F.; Taboada, P.; Mosquera, V. Langmuir 2012, 28, 9113. doi:10.1021/la300402w
38. [39]
  (34) Pelaz, B.; Charron, G.; Pfeiffer, C.; Zhao, Y; de la Fuente, J. M.; Liang, X. J.; Parak, W. J.; Del Pino, P. Small 2013, 9, 1573. doi:10.1002/smll.201201229
39. [40]
  (35) Ross, P. D.; Subramanian, S. Biochemistry 1981, 20, 3096. doi: 10.1021/bi00517a022
40. [41]
  (36) Sun, H. Y.; Cui, E. Q.; Tan. Z. G.; Liu, R. T. J. Biochem. Mol. Toxic. 2014, 28, 549. doi: 10.1002/jbt
41. [42]
  (37) Yang, B. J.; Liu, R. T.; Hao, X. P.; Wu. Y. Z.; Du, J. Biol. Trace. Elem. Res. 2013, 155, 150. doi: 10.1007/s12011-013-9771-z
42. [43]
  (38) Ding, L.; Zhou, P. J.; Zhan, H, J.; Zhao, X. H.; Chen, C.; He, Z. Y. Chemosphere 2013, 92, 892. doi: 10.1016/j.chemosphere.2013.02.045
43. [44]
  (39) Sun, H. Y.; Cui. E. Q.; Liu, R. T. Environ. Sci. Pollut. R 2015, 22, 18267. doi:10.1007/s11356-015-5035-0
44. [45]
  (40) Xue, F. F.; Liu, L. Z.; Mi, Y. Y.; Han. H. Y.; Liang, J. G. RSC Adv. 2016, 6, 10215. doi: 10.1039/c5ra16586e
45. [46]
  (41) AbouZied, O. K.; Al-Shihi, O. I. K. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 10793. doi10.1021/ja8031289
46. [47]
  (42) Lynch, I.; Dawson, K. A. Nano Today 2008, 3, 40. doi: [48]
  (08)70014-8" target=_blank>10.1016/S1748-0132
47. [49]
  (08)70014-8
48. [50]
  (43) Gelamo, E. L.; Silva, C. H.; Imasato, T. P. H.; Tabak, M. BBA-Biomembranes 2002, 1594, 84. doi: [51]
  (01)00287-4" target=_blank>10.1016/S0167-4838
49. [52]
  (01)00287-4
50. [53]
  (44) Joshi, P.; Shewale, V.; Pandey, R.; Shanker, V.; Hussain, S.; Karna, S. P. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 22818. doi: 10.1021/jp2070437
51. [54]
  (45) Wang, R.Y.; Chai, Y. H.; Wang, R. Q.; Zhang, L.; Wu, J.; Chang, J. B. Spectrochim. Acta A 2012, 96, 324. doi: 10.1016/j.saa.2012.05.030
52. [55]
  (46) Weert, M. V. D.; Stella, L. J. Mol. Struct. 2011, 998, 144. doi: 10.1016/j.molstruc.2011.05.023
53. [56]
  (47) Gauthier, T. D.; Shane, E.C.; Guerin, W. F.; Seitz, W. R.; Grant, C. L. Environ. Sci. Technol. 1986, 20, 1162. doi: 10.1021/es00153a012
54. [57]
  (48) Zhang, M. F.; Xu, Z. Q.; Ge, Y. S.; Jiang. F. L.; Liu, Y. J. Photoch. Photobio. B 2012, 108, 34. doi: 10.1016/j.jphotobiol.2011.12.006
55. [58]
  (49) Lehrer, S. Biochemistry 1971, 10, 3254.
56. [59]
  (50) Xiao, Q.; Huang, S.; Su, W.; Li, P. Y.; Ma, J. Q.; Luo, F. P.; Chen, J.; Liu, Y. Colloid. Surface B 2013, 102, 76. doi: 10.1016/j.colsurfb.2012.08.028
57. [60]
  (51) Lai, L.; Lin, C.; Xu, Z. Q.; Han, X. L.; Tian, F. F.; Mei, P.; Li, D. W.; Ge, Y. S.; Jiang, F. L.; Zhang, Y. Z.; Liu, Y. Spectrochim. Acta A 2012, 97, 366. doi: 10.1016/j.saa.2012.06.025
58. [61]
  (52) Tian, J. N.; Wei, S. Z.; Zhao, Y. C.; Liu. R. J.; Zhao, S. L. J. Chem. Sci. 2010, 122, 391. doi: 10.1007/s12039-010-0044-5
59. [62]
  (53) Sun, H. Y.; Yang, B. J.; Cui, E. Q.; Liu, R. T. Spectrochim. Acta A 2014, 132, 692. doi: 10.1016/j.saa.2014.04.157
60. [63]
  (54) Huang, S.; Qiu, H. N.; Liu, Y.; Huang, C. S.; Sheng, J. R.; Cui, J. G.; Su, W.; Xiao, Q. Colloid. Surface. B 2016, 148, 165. doi: 10.1016/j.colsurfb.2016.08.060
61. [64]
  (55) Huang, S.; Qiu, H. N.; Liu, Y.; Huang, C. S.; Sheng, J. R.; Su, W.; Xiao, Q. Colloid. Surface B 2015, 136, 955. doi: 10.1016/j.colsurfb.2015.10.028
62. [65]
  (56) Xiao, Q.; Huang, S.; Ma, J. Q.; Su, W.; Li, P. Y.; Cui, J. G.; Liu, Y. J. Photochem. Photobio. 2012, 249, 53. doi: 10.1016/j.jphotochem.2012.08.019
63. [66]
  (57) Ge, B. Y.; Li, Z. G.; Yang, L. L.; Wang, R. Y.; Chang, J. B. Spectrochim. Acta A 2015, 149, 667. doi: 10.1016/j.saa.2015.04.106
64. [67]
  (58) Wang, Q. S.; Zhang, X. L.; Zhou, X. L.; Fang, T. T.; Liu, P. F.; Liu, P.; Min, X. M.; Li, X. J. Lumin. 2012, 132, 1695. doi: 10.1016/j.jlumin.2012.02.016
65. [68]
  (59) Khani, O.; Rajabi, H. R.; Yousefi, M. H.; Khosravi, A. A.; Jannesari, M.; Shamsipur, M. Spectrochimi. Acta A 2011, 79, 361. doi: 10.1016/j.saa.2011.03.025
66. [69]
  (60) Das, K.; Rawat, K.; Patel. R.; Bohidar, H. B. RSC Adv. 2016, 6, 46744. doi: 10.1039/C6RA07368A
67. [70]
  (61) Shen, X.C.; Liou, X. Y.; Ye, L.P.; Liang, H.; Wang, Z. Y. J. Colloid Interface Sci. 2007, 311, 400. doi: 10.1016/j.jcis.2007.03.006
68. [71]
  (62) Xu, Z. Q.; Lai, L.; Li, D. W.; Li, R.; Xiang, C.; Jiang, F. L.; Sun, S. F.; Liu, Y. Mol. Biol. Rep. 2013, 40, 1009. doi: 10.1007/s11033-0 12-2142-6
69. [72]
  (63) Liu, R. T.; Zong, W. S.; Jin, K. K.; Lu, X. T.; Zhu, J. H.; Zhang, L. J.; Gao, C. Z. Spectrochim. Acta A 2008, 70, 198. doi: 10.1016/j.saa.2007.07.037
70. [73]
  (64) Liu, R. T.; Sun, F.; Zhang, L. J.; Zong, W. S.; Zhao, X. C.; Wang, L.; Wu, R. L.; Hao, X. P. Sci. Total. Environ. 2009, 407, 4184. doi: 10.1016/j.scitotenv.2009.01.042
71. [74]
  (65) Delfino. I.; Cannistraro, S. Biophys. Chem. 2009, 139, 1. doi: 10.1016/j.bpc.2008.09.016
72. [75]
  (66) Kathiravan, A.; Renganathan, R.; Anandan, S. Polyhedron. 2009, 28, 157. doi: 10.1016/j.poly.2008.09.023
73. [76]
  (67) Kotresh, M. G.; Inamdar, L. S.; Shivkumar, M. A.; Adarsh, K. S.; Jagatap, B. N.; Mulimani, B. G.; Advirao. G. M.; Inamdar, S. R. Luminescence 2016, 31, 760. doi: 10.1002/bio.3231.
74. [77]
75. [78]
  (68) Jiang, X. E.; Jiang, J. G.; Jin, Y. D.; Wang. E. K.; Dong, S. J. Biomacromolecules 2005, 6, 46. doi: 10.1021/bm049744l
76. [79]
  (69) AubinTam, M. E.; HamadSchifferli, K. Langmuir 2005, 21, 12080. doi: 10.1021/la052102e
77. [80]
  (70) Vertegel, A. A.; Siegel, R. W.; Dordick, J. S. Langmuir 2004, 20, 6800. doi: 10.1021/la0497200
78. [81]
  (71) Hu, Y. J.; Liu, Y.; Shen, X. S.; Fang, X. Y.; Qu, S. S. J. Mol. Struc. 2005, 738, 143. doi: 10.1016/j.molstruc.2004.11.062
79. [82]
  (72) Pan, X. R.; Liu, R.T.; Qin, P.F.; Wang. L.; Zhao, X. C. J. Lumin. 2010, 130, 611. doi: 10.1016/j.jlumin.2009.11.004
80. [83]
  (73) Bai, J.; Wang, T, T.; Wang, Y. C.; Jiang, X. E. Biomater. Sci. 2014, 2, 493. doi:10.1039/c3bm60224a
81. [84]
  (74) Rahmelow, K.; Hübner, W. Anal. Biochem. 1996, 241, 5. doi:10.1006/abio.1996.0369
82. [85]
  (75) Huang, S.; Qiu, H. N.; Xie, J. N.; Huang, C. S.; Su, W.; Hu, B. Q.; Xiao, Q. RSC Adv. 2016, 6, 44531. doi: 10.1039/c6ra01386d
83. [86]
  (76) Xiao, Q.; Huang, S.; Qi, Z. D.; Zhou, B.; He, Z. K.; Liu, Y. BBA-Proteins Proteomics 2008, 1784, 1020. doi: 10.1016/j.bbapap.2008.03.018
84. [87]
  (77) Ashraf, S.; Park, J.; Bichelberger, M.A.; Kantner, K.; Hartmann, R.; Maffre, P.; Said, A. H.; Feliu, N.; Lee, J.; Lee, D.; Nienhaus, G. U.; Kim, S.; Parak, W. J. Nanoscale 2016, 8, 17794. doi:10.1039/C6NR05805A
85. [88]
  (78) Xiao, J. B.; Bai, Y. L.; Wang, Y. F.; Chen. J. W.; Wei, X. L. Spectrochim. Acta A 2010, 76, 93. doi: 10.1016/j.saa.2010.02.028

扫一扫看文章

计量

PDF下载量: 2
文章访问数: 1313
HTML全文浏览量: 289

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

量子点与蛋白质相互作用热力学

English

Thermodynamics of the Interactions between Quantum Dots and Proteins

CCS Chemistry：嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料，实现纳米级压力传感功能

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南：你的皮肤可能是一片SPMs

CCS Chemistry：工作高效不疲劳，只须让催化剂动起来

CCS Chemistry：静电组装导向聚合- 聚电解质纳米凝胶量化制备新策略

CCS Chemistry：金黄色葡萄球菌醛基脱氢酶是如何识别特异性底物的？

计量

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处

量子点与蛋白质相互作用热力学

English

Thermodynamics of the Interactions between Quantum Dots and Proteins

CCS Chemistry：嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料，实现纳米级压力传感功能

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南： 你的皮肤可能是一片SPMs

CCS Chemistry：工作高效不疲劳，只须让催化剂动起来

CCS Chemistry：静电组装导向聚合- 聚电解质纳米凝胶量化制备新策略

CCS Chemistry：金黄色葡萄球菌醛基脱氢酶是如何识别特异性底物的？

计量

文章相关

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南：你的皮肤可能是一片SPMs