生物分子转化决定了纳米级及新兴材料在环境中的命运

《Accounts of Chemical Research》：Biomolecular Transformations Shape the Environmental Fate of Nanoscale and Emerging Materials

工程纳米材料（ENMs）与生物分子层的相互作用（corona）显著影响其转化路径，包括溶解、氧化还原反应及生物降解。动态corona通过改变表面化学、稳定或催化材料转化，决定ENMs的环境命运与生物安全性。研究扩展corona概念至MOFs等新兴材料，发现corona可调控MOFs的稳定性及毒性，并通过酶响应设计实现可控降解。结合实验表征与计算模型，提出corona设计策略以实现“安全由设计”（SSbD），推动绿色纳米技术的产业化与政策规范。

　　近年来，随着科技的发展，工程纳米材料（ENMs）在生物医学、能源存储和环境修复等领域取得了革命性的突破。这些材料之所以能够发挥如此重要的作用，主要得益于其独特的物理化学性质，如高比表面积、可调节的反应性和多功能性。然而，ENMs在实际应用中面临诸多挑战，其中包括其稳定性、安全性以及对环境的潜在影响。这些材料在进入真实世界环境或生物系统时，会经历一系列动态变化，从而影响其功能、生物相容性和毒性。因此，深入理解并预测这些变化路径，对于开发高性能、安全且可持续的ENMs至关重要。

在ENMs的动态变化过程中，生物分子冠（biomolecular corona）扮演了核心角色。生物分子冠是由吸附在纳米材料表面的蛋白质、脂质和小分子代谢物构成的动态层，它不仅改变了纳米材料的表面化学性质，还影响了其在环境中的行为和命运。生物分子冠的形成是纳米材料与生物或环境基质相互作用的结果，其组成和结构会随着环境条件的变化而演变。例如，在血液或细胞环境中，纳米材料表面可能吸附不同的蛋白质，形成不同的“生物身份”；而在土壤或水体中，纳米材料可能与自然有机质、多糖或微生物分泌物发生相互作用，从而改变其行为。这种动态变化使得生物分子冠成为纳米材料在不同系统中命运的决定性因素。

生物分子冠不仅影响纳米材料的物理化学性质，还对溶解、离子释放、硫化、酶促降解和氧化还原反应等关键过程产生显著调控作用。这些过程不仅决定了纳米材料的寿命和毒性，还提供了可编程的机会，使材料能够在完成其功能后实现安全降解或去毒化。例如，某些生物分子冠可以增强或抑制离子的释放，从而影响纳米材料的毒性。此外，冠状结构还可以催化纳米材料的相变，使其转化为对生物体和环境危害较小的形式。在某些情况下，生物分子冠甚至可以引导纳米材料的降解，使其在特定条件下释放出无害的产物。

为了更全面地理解生物分子冠的动态特性，研究者们逐步扩展了其概念，从最初聚焦于蛋白质冠，发展到包括代谢物和脂质在内的“完整冠”（complete corona）。这一概念的演进反映了纳米材料研究的系统化趋势，即不再仅关注单一的蛋白质相互作用，而是综合考虑多种生物分子对纳米材料行为的影响。例如，有机酸类代谢物可以促进金属离子的释放，而脂质则可能通过静电排斥作用减少纳米材料的聚集。这些发现为开发更全面的纳米材料行为预测工具奠定了基础，同时也推动了“基于冠的纳米材料设计”（corona-informed design）理念的发展。

随着研究的深入，科学家们开始探索如何利用生物分子冠的特性来设计具有可控降解路径的纳米材料。例如，通过分子印迹技术（molecular imprinting），可以预先在纳米材料表面构建特定的“冠结构”，使其在进入生物系统后优先吸附某些蛋白质或代谢物，从而引导其向有益的方向转变。这种设计策略可以减少纳米材料的非特异性识别，提高其生物相容性，并确保其在完成功能后能够安全地降解。此外，通过引入酶敏感性连接子，研究人员可以设计出能够响应特定生物信号的纳米材料，使其在特定的环境条件下发生可控的降解，释放出所需的药物或催化产物。

生物分子冠的研究还延伸到了新兴材料领域，如金属有机框架（MOFs）。MOFs作为一种具有高度孔隙结构和可调节化学性质的材料，广泛应用于药物输送、催化反应和环境治理等领域。然而，MOFs在复杂的生物和环境介质中表现出显著的结构不稳定性，容易发生降解或相变。因此，研究MOFs与生物分子冠之间的相互作用，对于理解其在实际应用中的行为和安全性至关重要。通过调控MOFs的表面化学性质，可以设计出能够稳定或降解的材料，从而实现更安全的环境应用。例如，某些MOFs在与特定酶或生物分子相互作用后，可以发生可控的分解，释放出无害的产物或所需的药物成分。

在环境治理方面，生物分子冠的研究为开发可持续的纳米材料提供了新的思路。例如，光催化MOF复合材料可以用于去除水体中的有机污染物，同时在光照条件下实现自身的降解，最终转化为无害的矿物残留物。这种“自毁”特性不仅减少了纳米材料对环境的长期影响，还提高了其在环境中的可回收性和安全性。此外，一些农业应用中的纳米材料也被设计成在特定条件下降解，从而避免对土壤和植物造成潜在危害。通过结合生物分子冠的研究成果，这些材料可以在完成其功能后，安全地回归自然环境，实现“闭环”设计。

为了实现基于生物分子冠的纳米材料设计，研究者们正在开发一系列实验和计算方法。这些方法包括高分辨率的蛋白质组学、代谢组学和脂质组学分析，以及结合机器学习（ML）和分子动力学（MD）模拟的预测模型。这些工具不仅能够帮助研究人员更准确地识别和量化生物分子冠的组成，还能预测其对纳米材料行为的影响。例如，通过机器学习模型，可以预测哪些蛋白质更可能吸附到特定纳米材料表面，从而指导其在不同环境中的行为。同时，分子动力学模拟能够提供纳米材料与生物分子相互作用的原子级视角，揭示其结构变化和反应机制。

随着这些技术的发展，基于生物分子冠的纳米材料设计正在从理论走向实践。通过将生物分子冠的特性融入材料设计过程中，研究人员可以开发出既高效又安全的纳米材料。这些材料不仅能够在特定环境中实现可控的降解，还能通过生物分子冠的调控，减少其对生态系统的潜在危害。此外，这种设计理念也对政策制定和产业应用产生了深远影响。越来越多的监管机构和研究资助者开始关注纳米材料的全生命周期管理，强调在材料开发的早期阶段就考虑其安全性和可持续性。通过整合生物分子冠的研究成果，这些政策和标准正在推动纳米材料向更加环保和安全的方向发展。

总之，生物分子冠的研究为纳米材料的动态行为提供了深刻的见解，并为开发安全、可持续的纳米材料提供了新的策略。通过理解生物分子冠如何影响纳米材料的物理化学性质和生物相容性，科学家们能够设计出能够在特定条件下实现可控降解或去毒化的材料。这些材料不仅在生物医学和环境治理领域展现出巨大的应用潜力，还为纳米技术的可持续发展提供了理论支持和实践指导。未来，随着实验技术、计算工具和政策框架的不断完善，基于生物分子冠的纳米材料设计有望成为纳米科技发展的重要方向，实现性能与安全的双重优化。