全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第5期
收稿日期:2008-03-10
基金项目:首都师范大学博士启动基金(072249048)
作者简介:叶能胜(1975-),男,博士,研究方向:蛋白质组学研究;E-mail:yenshcnu@126.com
前言
蛋白质组学自从概念提出发展至今,已经在生
命科学、临床诊断、药学等领域得到广泛的应用[1~3]。
同时,蛋白质组学的发展依旧面临着技术难题,如
低丰度蛋白的检测及其鉴定[4],蛋白质组学自动化
分析等。在蛋白质组学研究中发现,与疾病病变密
切相关的蛋白多为低丰度蛋白[5]。因此,低丰度蛋
白的有效检测,虽然相关技术已经应用于蛋白质组
学之中[6,7],但这仍是蛋白质组学发展的瓶颈问题。
对于低丰度蛋白检测,还需要通过发展新技术,并
及时融合其它领域新成果,通过学科间相互交叉促
进蛋白质组学研究的深入发展。纳米科技已经渗透
到蛋白质组学研究之中,并显示出一定技术优势。
纳米级毛细管柱用于液质联用(LC-MS/MS)技术分
离蛋白/多肽已经成为蛋白质组学研究中又一重要
工具[8~11]。
1 纳米材料与蛋白/多肽富集分析
1.1 纳米技术与蛋白质组学
随着纳米技术的不断发展,功能化纳米材料不
断见诸于报道,曾有多篇综述就纳米技术在生物分
子检测及医学诊断[12,13]、癌症[14]等领域的应用概况。
纳米材料在分析方法上的应用,扩大了纳米材料的
应用范围,也增强了分析技术在各研究领域的广泛
应用[15~17]。在蛋白质组学研究中,纳米级颗粒材料
之所以能应用于蛋白/多肽的富集工作,关键在于
其独特的性质[18]:纳米级材料与微米级磁珠相比,
具有更高的比表面积;微小的纳米颗粒可以减少质
谱检测的干扰;纳米颗粒一般可以直接与基质混合
形成晶体,避免微球等介质富集过程繁杂的洗脱过
程造成的蛋白损失。Ivanov[19]曾就纳米技术在蛋白
质组学研究中加以评述,特别是纳米技术在蛋白/
多肽混合物分离中应用,甚至可以实现单分子分
析。
1.2 纳米氧化物与蛋白/多肽富集
纳米材料在蛋白多肽富集研究中的应用进展
叶能胜 谷学新
(首都师范大学化学系,北京 100048)
摘 要: 复杂样本中低丰度蛋白的检测是蛋白质组学发展的难点和瓶颈。发展快速富集方法是检测低丰度蛋白有
效途径之一,近年来研究表明纳米材料对蛋白/多肽存在不同程度的富集作用。结合国内外文献报道,对纳米材料在蛋白
/多肽富集中的应用概况加以评述。
关键词: 纳米材料 蛋白 多肽 富集 低丰度
AdvancementofNanomaterialsinEnrichmentofProteins/Peptides
YeNengsheng GuXuexin
(DepartmentofChemistry,CapitalNormalUniversity,Beijing100048)
Abstract: Itisbeingabotlenecktodetectlow-abundanceproteinsincomplexsamplesforproteomicanalysis.
Methodswhichcanbeabletoenrichproteinscouldbeusedfordetectionoflow-abundanceprotein.Nanomaterials,such
aszeolitenanocrystals,nanoporoussilicaparticlesandcarbonnanotubes,arebeingshowedefectintheenrichmentof
proteins/peptides.Thisreview highlighted the application ofvariouskindsofnanomaterialsforenrichmentof
proteins/peptides.
Keywords: NanomaterialsProtein Peptide EnrichmentLow-abundance
2008年第5期
纳米级氧化物材料通常具有一定的表面特性,
如二氧化钛(TiO2)、氧化铝等材料对磷酸化蛋白/多
肽具有一定的亲和性,可以用于磷酸化蛋白/多肽
的富集研究。
Liang等[20]采用纳米级二氧化钛对多肽/蛋白进
行富集处理,发现纳米二氧化钛对磷酸化多肽具有
很好的富集效果,与微米级二氧化钛相比富集倍数
提高了 2~5倍。
Chen等[21]通过在磁性 Fe3O4纳米颗粒表面包被
氧化铝层形成纳米复合物,并以此复合物作为亲和
探针应用于复杂样本中磷酸化蛋白、磷酸化多肽的
富集研究。结果表明,通过对低浓度样本进行 30s
的快速富集,富集后的磷酸化多肽足以用于基质辅
助激光解析离子化飞行时间质谱仪(Matrix-Assisted
Laser Desorption Ionization Time-of-Flight Mass
Spectrometry,MALDI-TOF-MS)分析,整个过程在 5
min内即可完成。该方法可以对低样本体积(50μl)
或者低浓度样本(5×10-10M)进行富集。该研究小组
还采用氧化锆包被磁性 Fe3O4纳米颗粒,用于蛋白
酶解液中磷酸化多肽的富集,方法对 β-酪蛋白酶
解液中磷酸化多肽检测限为 45fmol[22]。
1.3 碳纳米管与蛋白/多肽的富集
碳纳米管(CarbonNanotubes,CNTs),又称为巴
基管,是一种新型纳米材料,具有特殊的导电性能、
力学性质和物理化学性质,已经广泛应用于分析科
学[23]、生物医药[24]等多个领域。
Li等[25,26]采用多壁碳纳米管(MWCNTs)作为吸
附剂,建立了一种从血浆中捕获多肽的方法,捕获
的多肽经 HPLC-MS分析可直接实现鉴定。研究结
果表明,与 C18和 C8相比,MWCNTs具有更好地捕
获小分子多肽的能力。对 CNTs进行功能化修饰还
可以引入新的功能,比如功能修饰后的 CNTs具有
良好的富集能力。Ren等[27]通过对碳纳米管进行功
能修饰,采用调节 pH的方法来改变功能化的 CNTs
分散能力,从而实现从样本溶液中富集痕量蛋白/
多肽,对多肽的检测限可达 0.01pg/μl,提高了 10~
100倍。此外,功能化的 CNTs还可以用作 MALDI-
TOF-MS的基质,直接用于痕量多肽的富集。Chen
等[28]利用柠檬酸处理后 CNTs作为蛋白/多肽的亲
和探针,可以有效地从水溶液中富集痕量的蛋白/
多肽,即使溶液中含有高浓度盐或者表面活性剂也
可有效富集,扩大被检测蛋白的质量范围,减少碱
金属离子加合物的形成。
作者曾利用多壁碳纳米管 (Multi-WaledCarbon
Nanotubes,MWCNTs)对血清蛋白进行富集处理,富
集蛋白的 MWCNTs悬浮液未经分离,直接点样于
蛋白芯片表面,加能量吸收分子 SPA后用表面增强
激光解析飞行时间质谱仪 (Surface-EnhancedLaser
DesorptionIonizationTime-of-FlightMassSpectrometry,
SELDI-TOF-MS)检测。结果表明 MWCNTs对血清中
的小分子量蛋白具有选择性富集效果,而且富集效
果与 MWCNTs的长度和内径等参数相关[29]。
1.4 其它纳米材料与蛋白/多肽富集
Zhang等[30]采用纳米沸石颗粒(粒度小于 100
nm)来富集痕量的标准多肽溶液,结果表明纳米沸
石对蛋白/多肽可以起到很好的富集效果,富集倍
数在 100~1000范围内;同时还可以实现脱盐的效
果。在试验中吸附多肽的沸石颗粒直接与基质混合
后点样,用 MALDI-TOF-MS直接检测多肽/蛋白质,
方法简便,避免了洗脱过程中多肽/蛋白的损失。
Jia等[31]采用合成的碳酸钙-PMMA纳米颗粒快
速富集低丰度多肽/蛋白质。结果表明,该纳米颗粒
可以快速富集多肽/蛋白质,富集倍数因蛋白而异,
富集倍数可达 30~60倍;同时兼有脱盐效果,具有
很好的重复性。
Teracciano等[32]利用合成的多孔性纳米硅颗粒
对血浆样本进行处理,发现纳米硅可以选择性结合
血浆中的小分子量蛋白,同时实现小分子量分子标
记物的富集,作者认为这种富集作用与纳米硅颗粒
的多孔性有关。通过方法评价,采用纳米硅颗粒处
理血浆样本,重复试验结果表明峰高 CV值控制在
2%~18%以内,检测灵敏度在 ng/ml级,有利于实现
低丰度蛋白的检测。
Kong等[13]采用羧基化/氧化态纳米级钻石颗粒
对牛血清白蛋白(BSA)等标准蛋白溶液进行富集。
对于高分子量蛋白,最低检测蛋白浓度可达
100pM/ml,与传统微球富集方法相比,纳米富集方
法快速高效,便于操作,杂质峰干扰小,质量检测无
偏移。与 ZipTip富集方法相比,纳米富集方法对血
清样本富集效果灵敏度可提高 10倍以上,具有显
叶能胜等:纳米材料在蛋白多肽富集研究中的应用进展 43
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第5期
著的富集效果,可应用于临床蛋白质组学研究。
对于临床尿样而言,样本体积较大,其中一些
低丰度蛋白采用传统方法,如三氯乙酸(TCA)沉淀
法,无法实现检测。针对这一问题,Wang等[33]采用
纳米金颗粒对尿样进行蛋白富集处理,结果表明,
该方法可实现对大体积样品中(>2ml)蛋白富集或
者低丰度蛋白(4ppm)的富集,可以作为凝胶电泳
(SDS-PAGE)蛋白分离的样品前处理方法。
2 前景展望
纳米科技是一门新兴的学科,在蛋白、多肽分
离富集研究中应用已经体现出一定的优势。但是,
目前有关纳米蛋白质组学研究尚处于初步阶段,纳
米材料在蛋白质组学应用还需要从以下方面开展
深入研究:① 筛选蛋白多肽具有富集能力强的纳
米材料;② 加强纳米材料对复杂体系中目标蛋白
的选择性富集研究;③ 研究纳米材料对蛋白多肽
富集的机理研究,并通过机理研究进一步对纳米材
料加以改性,提供纳米材料的富集效率和选择性。
随着新型纳米材料的不断开发,加上对传统纳米材
料进行功能修饰,纳米材料必将在蛋白质组学研究
中发挥更加重要的作用,特别是复杂体系中低丰度
蛋白的检测具有重要的意义,对临床疾病蛋白质组
学研究中有关疾病标志物的发现及疾病早期诊断
具有重要实用价值。
参考 文献
1 AzadNS,RasoolN,AnnunziataCM,etal.MolCelProteomics,
2006,5(10):1819~1829.
2 HortinGL,JortaniSA,RitchieJC,etal.ClinChem,2006,52(7):
1218~1222.
3 HeQY,ChiuJF.JCelBiochem,2003,89(5):868~886.
4 VonHorstenHH.CurAnalChem,2006,2(2):129~138.
5 ChertovO,SimpsonJT,BiragynA,etal.ExpertRevProteomics,
2005,2(1):139~145.
6 张雪群,姜颖,等.中华检验医学杂志,2006,29(10):947~950.
7 张莉娟,陆豪杰,等.分析化学,2007,35(1):146~152.
8 BakryR,GjerdeD,BonnGK.JProteomeRes,2006,5(6):1321~
1331.
9 ShenY,SmithRD.ExpertRevProteomics,2005,2(3):431~447.
10 ShenY,TolicN,MasselonC,etal.AnalBioanalChem,2004,
378(4):1037~1045.
11 MohamadiMR,MahmoudianL,KajiN,etal.Nanotoday,2006,1
(1):38~45.
12 ChengMM,CudaG,BunimovichYL,etal.CurOpinChemBiol,
2006,10(1):11~19.
13 GehoDH,LaharN,FerariM,etal.BiomedMicrodevices,2004,
6(3):231~239.
14 FerariM.NatureReviewsCancer,2005,5:161~171.
15 王宗花,罗国安.分析化学,2003,31(8):1004~1009.
16 蔡称心,陈静,等.分析化学,2004,32(3):381~387.
17 王璟琳,刘国宏,等.分析化学,2005,33(12):1787~1793.
18 KongXL,HuangLCL,HsuCM,etal.AnalChem,2005,77(1):
259~265.
19 IvanovYD,GovorunVM,BykovVA,etal.Proteomics,2006,6(5):
1399~1414.
20 LiangSS,MakambaH,HuangSY,etal.JChromatogrA,2006,
1116(1~2):38~45.
21 ChenCT,ChenWY,TsaiPJ,etal.JProteomeRes,2007,6(1):
316~325.
22 LoCY,ChenWY,ChenCT,etal.JProteomeRes,2007,6(2):
887~893.
23 ValcarcelM,SimonetBM,CardenasS,etal.AnalBioanalChem,
2005,382(8):1783~1790.
24 PolizuS,SavadogoO,PoulinP,etal.JNanosciNanotechnol,2006,
6(7):1883~1904.
25 LiX,XuS,PanC,etal.JSepSci,2007,30:930~943.
26 肖素芳,王宗花,等.分析化学,2005,33(2):261~266.
27 RenSF,GuoYL.JAmSocMassSpectrom,2006,17(7):1023~
1027.
28 ChenWY,WangLS,ChiuHT,etal.JAmSocMassSpectrom,
2004,15:1629~1635.
29 叶能胜,何为,等.分析试验室,2008,27(3):66~68.
30 ZhangY,WangX,ShanW,etal.AngewChemIntEdEngl,2005,
44(4):615~617.
31 JiaW,ChenX,LuH,etal.AngewChemIntEdEngl,2006,45
(20):3345~3349.
32 TeraccianoR,GaspariM,TestaF,etal.Proteomics,2006,6(11):
3243~3250.
33 WangA,WuCJ,ChenSH.JProteomeRes,2006,5(6):1488~
1492.
44