一种超声响应型细胞内质子化编辑工具及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于纳米生物医学技术领域，具体涉及一种超声响应型细胞内质子化编辑工具及其制备和应用。本发明专利技术的细胞内质子化编辑工具是由具有压电性能的铁酸铋纳米颗粒与聚赖氨酸在常温水溶液中组装形成的核壳结构纳米材料，平均粒径75 nm，可在高于临界功率密度的超声辐照下，由内核铁酸铋材料将超声机械能转化为电能，在界面处形成局域电场，诱导聚赖氨酸末端氨基pKa降低，进而将氨基H

【技术实现步骤摘要】
一种超声响应型细胞内质子化编辑工具及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于纳米生物医学
，具体涉及一种细胞内质子化编辑工具及其制备和应用。

技术介绍

[0002]细胞内生物大分子（蛋白质）的质子化是细胞动态调控特定蛋白质活性、进而实现细胞行为调控的重要手段，在细胞代谢、肿瘤、心血管疾病和神经退行性疾病的发生发展中起到关键作用。具体来说，质子化是将一个正电荷H
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加成到蛋白质可滴定残基上的过程。正电荷H
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的加成可改变蛋白质内的电荷分布状态，使蛋白质发生结构变化，改变其与其他生物大分子结合的亲和力，最终影响蛋白质功能。现有技术仅能通过降低溶液pH值介导质子化，导致蛋白质等生物分子的质子化仅能在体外完成，大量基于质子化的生物机制缺乏细胞内有效验证。这是因为活细胞对胞内pH极度敏感，虽然使用质子泵抑制剂或基因编辑技术可有效降低胞内pH值，但这将快速引起细胞代谢和周期的一系列异常，剧烈影响细胞正常功能。另外，虽然光酸分子可在光照下释放H
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，完成细胞内局域位点的酸化并介导蛋白质子化，但该方法仍需要产生大量的自由H
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，这将无可避免地引起周围所有生物分子的质子化，对生物学机制探究和药物靶点探索带来难以逾越的困难。同时，细胞内绝大多数细胞器为碱性（线粒体pH 8），逆转局域微环境pH，必然影响细胞器正常功能，难以达到精准、安全的要求。因此，发展非pH依赖、精准靶向、可控触发、高效安全的新型细胞内蛋白质子化编辑技术和相应编辑工具，对生物学、材料学、化学、药学等领域具有十分重要的意义。
[0003]质子化过程本质上由H
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在溶液和目标蛋白残基的解离常数（pKa）调控，酸碱质子理论证实，H
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可由低pKa基团转移到高pKa基团。因此，若能在胞内实现含氢基团pKa的动态调控，将有望操纵H
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的基团间直接转移，实现非pH依赖的蛋白质高效质子化。理论上，pKa可通过改变含氢基团局域电荷密度调控，然而如何在细胞内引入电场，安全、可控地改变基团电荷分布仍是巨大挑战。近年来，生物纳米材料因具有尺寸匹配、表面可修饰、功能多样性等特点，已实现了多种细胞内蛋白的时空可控靶向，在生物医学领域展现出巨大潜力。其中，能量转换纳米材料可响应系列外场，高效精准的产生磁、力、电等物理场，诱导分子的物化特性发生响应性变化。因此，若设计尺寸可控、精准靶向、并可响应外场实现pKa动态调控的复合纳米材料，将有望实现非pH依赖、时空可控的精准细胞内质子化编辑。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种非pH依赖性、生物安全、超声响应型细胞内质子化编辑工具及其制备方法和应用。
[0005]本专利技术利用生物医学纳米技术，解决现有胞内蛋白质子化技术溶液pH依赖、安全性低、精准性低、可控性差的瓶颈问题，提供一种超声响应型细胞内质子化编辑工具的制备方法。通过表面化学修饰，该材料可精准靶向细胞内的目标蛋白，并响应外源性超声，在压电纳米材料产生的压电场作用下，降低表面聚赖氨酸壳层上氨基的pKa，从而使H
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向高pKa
的蛋白质残基直接转移，实现非pH依赖性、超声响应性、生物安全性的精准胞内蛋白质质子化。
[0006]本专利技术提供的超声响应型细胞内质子化编辑工具，是一种复合纳米材料，具体为由压电纳米颗粒铁酸铋（简写为BFO）与聚电解质聚赖氨酸（简写为PLL）构成的核壳结构复合纳米材料（简写为BPNPS）；所述复合纳米材料由压电纳米颗粒BFO与聚电解质PLL在常温水中通过界面修饰法合成，平均粒径约为 75 nm，可响应1 W/cm2及以上的超声辐照，通过内部电场降低末端氨基pKa，并进一步介导分子或蛋白质质子化。
[0007]本专利技术还提供上述细胞内质子化编辑工具复合纳米材料的制备方法，具体步骤为：步骤一、将BFO纳米颗粒与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）共同分散在乙醇溶剂中，超声处理一段时间；步骤二、对步骤一中获得的产物进行梯度离心分选，并用乙醇和超纯水清洗，得到BFO
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PVP纳米材料；步骤三、将步骤二中获得的适量浓度BFO
‑
PVP分散在超纯水中，按体积比1:10的比例加入到含一定浓度PLL的0.5 M NaCl的PBS溶液中，之后继续搅拌一段时间；步骤四、对步骤三中获得的反应产物进行离心分离，并用超纯水清洗，最后冷冻干燥得到BPNPS复合纳米材料。
[0008]步骤一中，所述BFO乙醇溶剂的质量浓度为10
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40 mg/mL，BFO与PVP在乙醇溶剂中的质量比为5:1
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20:1；优选地，所述BFO浓度为20 mg/mL，所述BFO与PVP在乙醇溶剂中的质量比为8:1。
[0009]步骤一中，所述超声时间为1
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8 h；优选地，所述超声时间为4 h。
[0010]步骤二中，首先使用3000
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8000 rpm转速对材料乙醇溶液进行分选，取上清液，进一步使用10000
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13000 rpm转速分离并使用溶剂进行清洗;优选地，所述乙醇溶液分选离心转速为8000 rpm。
[0011]步骤三中，所述BFO
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PVP在水溶剂中的质量浓度为0.1
‑
4 mg/mL；优选地，所述BFO
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PVP在水溶剂中的质量浓度为2 mg/mL。
[0012]步骤三中，所述PLL在0.5 M NaCl的PBS溶液中的质量浓度为0.1
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2 mg/mL；优选地，所述PLL在0.5 M NaCl的PBS溶液中的浓度为0.1 mg/mL。
[0013]步骤三中，所述PLL的0.5 M NaCl PBS溶液体积为 1
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4 mL；优选地，所述PLL的0.5 M NaCl PBS溶液体积为 2 mL。
[0014]步骤三中，所述搅拌时间为5
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60 min；优选地，所述搅拌时间为20 min。
[0015]进一步地，步骤三中所述搅拌的温度为室温。
[0016]步骤四中，所述离心分离转速为13000 rpm。
[0017]本专利技术还提供上述细胞内质子化编辑工具的应用（即质子化编辑方法），即在细胞内对分子或蛋白质进行高效质子化编辑；具体过程为，在复合纳米材料表面进行化学修饰，使其能够精准靶向细胞内的目标蛋白，并响应高于临界功率密度（1 W/cm2，如1
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3 W/cm2）外源性超声，由内核BFO材料将超声机械能转化为电能，在界面处形成局域电场，诱导聚赖氨酸末端氨基pKa降低，进而将氨基H
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直接转移到高pKa的分子或蛋白质残基上，即使氨基H
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向高pKa的蛋白质残基直接转移（例如向磷酸丝氨酸磷酸根，组氨酸咪唑基，苏氨酸氨基，牛血
清白蛋白和细胞内的cofilin蛋白转移），实现非pH依赖性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声响应型细胞内质子化编辑工具，其特征在于，是一种复合纳米材料，具体为由压电纳米颗粒铁酸铋BFO与聚电解质聚赖氨酸PLL构成的核壳结构复合纳米材料BPNPS；所述复合纳米材料由压电纳米颗粒BFO与聚电解质PLL在常温水中通过界面修饰法合成，平均粒径约为 75 nm，可响应1 W/cm2及以上的超声辐照，通过内部电场作用降低末端氨基pKa，并进一步介导蛋白质质子化。2.如权利要求1所述的超声响应型细胞内质子化编辑工具的制备方法，其特征在于，具体步骤为：步骤一、将BFO纳米颗粒与聚乙烯吡咯烷酮PVP共同分散在乙醇溶剂中，进行超声处理；步骤二、对步骤一中获得的产物进行梯度离心分选，并用乙醇和超纯水清洗，得到BFO
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PVP纳米材料；步骤三、将步骤二中获得的适量浓度BFO
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PVP分散在超纯水中，按体积比1:10的比例加入到含一定浓度PLL的0.5 M NaCl的磷酸盐缓冲液PBS中，之后继续搅拌均匀；步骤四、对步骤三中获得的反应产物进行离心分离，并用超纯水清洗，最后冷冻干燥得到BPNPS复合纳米材料。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤一中所述BFO乙醇溶剂的质量浓度为10
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40 mg/mL，BFO与PVP在乙醇溶剂中的质量比为5:1
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20:1； 所述超声时间为1
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8 h。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤二...

【专利技术属性】
技术研发人员：步文博，赵沛然，陈杨，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：