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刺猬状纳米材料：细菌的“克星”？

小小的刺猬竟然能为我们带来科技创新的灵感？

25年2月，西北农林科技大学、西北高原生物研究所、中国农业科学院农产品质量安全与检测技术研究所等单位，受刺猬刺状形貌结构的启发，他们开发了名为“刺猬状人工介孔纳米结构 (mAPt)”的新型仿生材料，其具有高效捕获细菌和光热杀菌的能力，在公共卫生防治、免疫检测、开发新型抗菌材料等方面具有广阔的应用前景。

图1：相关成果《Antibody-level Bacteria Grabbing by “Mechanic Invasion” of Bioinspired Hedgehog Artificial Mesoporous Nanostructure for Hierarchical Dynamic Identification and Light-Response Sterilization》发表在杂志《Advanced Materials》上。

众所周知，抗生素滥会造成耐药性，部分药物服用也会带来副作用，这些现象给公共卫生防治带来了一些挑战。如何开发出一种可规模化量产、功能稳定、广谱抗菌的“细菌克星”，具有重大意义！

随着仿生学的日益发展，已经有了众多成功案例出现在医学、化工、军事等领域，例如电子皮肤、人工器官、生物活性玻璃等，给日常生活及医疗诊断提供了更多可选项。

今天，我们将围绕基于刺猬带刺的形貌特征研制出的mAPt材料分子，探究其组装方式、作用机理、抗菌特性与潜在应用场景！

mAPt的制备过程巧妙地结合了模板法和自组装法，其核心是金纳米颗粒，外壳是铂纳米颗粒，并具有介孔结构。这种独特的核壳结构和介孔特征，使得mAPt具有高比表面积和优异的催化性能。

如图2 a-ii所示，逐一使用还原剂生成金纳米颗粒与铂纳米颗粒，并让铂沉积在金核表面，形成铂壳。课题组通过摸索还原剂的加入量及反应条件，设计出具有特定刺突-介孔形貌的mAPt材料，并借助乙醇/水对其进行纯化，得到均一稳定的mAPt颗粒。

图2 b-I为透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等手段对mAPt的形貌、结构和组成进行表征的数据展示。

图2：mAPt的设计思路及表征实验结果

mAPt是如何实现高效捕获细菌的呢？

原来，mAPt的刺状结构能够通过“机械入侵”机制穿透细菌细胞膜，将细菌牢牢固定在纳米结构表面。这种独特的机制使得mAPt的细菌捕获能力达到了抗体水平，甚至优于一些传统的抗体偶联纳米探针。

如图3-a示意图所示，mAPt会通过其表面的刺突介孔结构，抓取鼠伤寒沙门氏菌与金黄色葡萄球菌。

具体实验数据可见图3b、3c、3e，无论电镜观察或荧光显色实验，都能说明mAPt有显著的细菌识别-抓取能力。

图3：mAPt抓取细菌的示意图及检测结果

此外，课题组也使用Biacore X100设备设计了相应实验方案，在溶液状态中探究mAPt与细菌的识别抓取能力,并通过测定细菌与mAPt之间的动力学及亲和力参数，对两者之间的互作情况进行了定量分析。

解决方案

固定相（Ligand）：鼠伤寒沙门氏菌
流动相（Analyte）：特异性抗体或mAPt分子
缓冲液：HBS-EP+
样品进样浓度梯度： 12.5-200 nM
再生条件：2 mM NaOH

Biacore实验数据见图4，mAPt与鼠伤寒沙门氏菌的亲和力KD=2.65×10-8 M（相应抗体与细菌的亲和力KD=3.12×10-8 M）, 这说明mAPt能够有效识别细菌分子，并体现出类似于抗体分子的捕获能力。

图4：抗体/mAPt与鼠伤寒沙门氏菌的Biacore实验结果

mAPt还具有优异的光热转换效率

在光照射下，mAPt能够产生热量，从而实现对细菌的光热杀菌。实验结果表明，mAPt在体外实验中实现了99.99%的杀菌率，展现出强大的抗菌能力。

如图5b所示，经近红外光照射后的细菌-mAPt混合液，温度会随着mAPt浓度增高而增大；

图5c的平板涂布结果也表明，经近红外光照射后的细菌-mAPt混合液处理后的琼脂平板上的菌落生长情况均被大幅抑制。

图5：mAPt灭菌效果展示

mAPt的应用前景十分广阔

mAPt分子除了具有“抓取细菌-光热杀菌”特性外，还可以作为荧光和光热探针，用于免疫检测，其灵敏度比传统的金纳米粒子探针高 50 倍。

此外，mAPt还可以用于开发新型抗菌材料，例如抗菌涂层和抗菌纤维，用于预防细菌感染。看到这里，你是不是觉得mAPt真的是细菌的“克星”呢？让我们一起期待这种新型材料在未来的应用，为我们的生活带来更多的健康与便利！

科技创新无处不在，即使是小小的刺猬也能成为我们突破创新的对象。mAPt的研发不仅展示了仿生纳米结构的魅力，更为我们提供了对抗细菌的新武器。

Biacore作为分子互作领域的“金标准”，无惧各类复杂样本，常规的抗体、蛋白、小分子化药、金属离子、核酸、纳米材料、病毒颗粒等，在“全持续流”、“实时无标记”、“灵敏度高”的SPR技术体系中，得到全面、精准的互作数据，助力各项科研成果顺利产出。

纳米材料与Biacore，还能这么玩！

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上海大学环化学院纳米化学与生物学研究所（纳米所）曹傲能教授和王海芳教授团队，经过近十年努力，首次在纳米粒子表面通过精确控制柔性基团构象实现了类蛋白质功能，研制出纳米人工抗体。该工作在《美国科学院院刊》(PNAS: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) 在线发表。

图1：文章截图

研究团队仅选取了天然蛋白质抗体中一小段柔性的多肽，把这段单独没有特定构象、不具有活性的多肽两端“嫁接”到金纳米粒子上，通过精确控制多肽两端的距离来调整其构象，赋予了纳米粒子和天然抗体一样的识别抗原的功能。

纳米人工抗体，具有比天然蛋白质抗体更稳定、与抗原结合更强、储存运输条件简单等优势。那如何高效地设计出通用型纳米人工抗体呢，让小编带着大家一探究竟！

01. 结合蛋清溶菌酶 (HEWL) 为骨架的纳米人工抗体设计

cAb-Lys3为针对HEWL的原型抗体，研究人员把位于cAb-Lys3的互补决定域 (CDR) 的100-112氨基酸序列“嫁接”至纳米金颗粒 (Au-NP) 的表面，从而设计出纳米人工抗体。如图2所示，Pep1、Pep1m、Pep1s是基于CDR3的100-112氨基酸序列展开改造后的多肽序列。

针对HEWL的纳米人工抗体设计图

图2：针对HEWL的纳米人工抗体设计图

为找到纳米人工抗体的最佳设计方式，研究团队采用SPR检测法对纳米金颗粒-柔性多肽的配比做了对比检测，如图3A：当AuNP与Pep1以1:60配体呈现时，其与抗原HEWL的结合特性最佳。随后，采用Biacore自带的Kinetics/affinity方法模块对AuNP-60Pep1与HEWL的结合动力学参数进行了检测，如图3B：经对比，纳米人工抗体AuNP-60Pep1与HEWL的亲和力KD=1.5×10^-10 M，比原型抗体：HEWL的亲和力高出2个数量级。

课题组借助Biacore多检测通道的设计，做了平行对比实验，结果如图3C：AuNP-Pep1与HEWL之间存在着特异性结合，与其他伪装配体之间，仅存在微弱的非特异性吸附。同时，也在Biacore上做了竞争分析实验，结果见图3D：当存在竞争抑制剂Tri-NAG时，AuNP-Pep1与HEWL之间的结合信号会显著降低。这也充分证实了Tri-NAG与AuNP-Pep1识别HEWL的同一活性位点，可用于后续的纳米人工抗体的继续优化工作。

AuNP-Pep1与HEWL的结合特异性检测

图3：AuNP-Pep1与HEWL的结合特异性检测

02. 表皮生长因子受体 (EGFR) 为骨架的纳米人工抗体设计

课题组为测试此纳米人工抗体设计策略的通用性，也以EGFR为抗原、7D12为原型抗体设计了纳米人工抗体AuNP-Pep2，如图4所示。

图4：针对EGFR的纳米人工抗体设计图

课题组同样采用SPR检测法，确定了AuNP与Pep2的最优配比为1:60（图5A）、AuNP-Pep2的结合是特异性反应（图5B）。同时，AuNP-Pep2与EGFR的亲和力KD=1.2×10^-11 M（图5C），比EGF-sEGFR之间的亲和力高出了2个数量级（图5D）。

类似于针对HEWL的竞争分析法，课题组也使用Biacore对配体EGF、抗原EGFR、纳米人工抗体AuNP-Pep2进行了检测，结果如图5E：EGF与EGFR存在较强的结合信号 (Blank) ；存在AuNP-Pep2时，结合信号会显著降低 (AuNP-Pep2) ；其他纳米人工抗体则无明显抑制效果。此外，研究人员采用透射电镜观察了AuNP-Pep2复合物的形成情况，结果如图5F。

AuNP-Pep2与EGFR的结合特异性检测

图5：AuNP-Pep2与EGFR的结合特异性检测

随后，课题组也测试了他们所研制的纳米人工抗体的热稳定性，以方便进行存储、运输条件的优化。如图7B-C所示，分别为AuNP-Pep1、AuNP-Pep2于100℃下水浴1h前后，与HEWL (7B) 、EGFR (7C) 的检测结果，从检测信号可以看出，此纳米人工抗体的设计具有极好的热稳定性。

纳米人工抗体的热稳定性分析

图7：纳米人工抗体的热稳定性分析

03. 小结

纵观全文，此纳米金颗粒与肽段偶联制得的纳米人工抗体，无论是结合特性、热稳定性、人源化改造的难易程度、生产工艺上，都比传统的抗体更胜一筹。在这篇文章里，课题组非常精简的采用SPR法找到了纳米金颗粒与肽段的最佳配比。

同时，课题组用了两组抗原抗体检验了此纳米人工抗体的适用性，从结果中也能看出，AuNP-Pep1识别的是抗原HEWL的峡谷区、AuNP-Pep2识别的是EGFR的表平面。所以，此纳米人工抗体的设计可以被广泛用于相关抗体的优化、改造工作中。

抗体药一直都是非常火热的赛道之一，全抗、多抗、纳米抗体等相关研究层不出穷；纳米人工抗体也有其独特的优势及应用场景，期待更多的抗体药物面世，造福于人类。