碳纳米管与碳纳米洋葱抑制乳清分离蛋白淀粉样纤维形成的机制研究及其生物医学应用潜力

本研究针对碳纳米材料(CNTs/CNOs)与乳清分离蛋白(WPI)的相互作用机制，通过TEM/SEM/FTIR/XRD表征和分子动力学模拟(MDs)，发现CNOs通过减少β-折叠和α-螺旋形成更稳定复合物，DWCNT则通过增加N端α-螺旋抑制纤维化，为阿尔茨海默病等蛋白质构象疾病治疗提供新思路。

　　

在蛋白质构象疾病治疗领域，淀粉样纤维的异常聚集是阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病的共同病理特征。碳纳米材料因其独特的理化性质，在抑制蛋白质错误折叠方面展现出巨大潜力，但不同结构纳米材料的作用机制差异尚不明确。针对这一科学问题，中国某研究机构团队在《Carbon Trends》发表重要成果，系统揭示了碳纳米管(CNTs)和碳纳米洋葱(CNOs)对乳清分离蛋白(WPI)纤维化的差异化抑制作用。

研究采用水热合成法制备WPI/CNTs和WPI/CNOs复合材料，通过透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)进行表征，并运用分子动力学模拟(MDs)在原子尺度解析相互作用机制。实验选用pH=2、80℃条件模拟纤维化环境，以β-乳球蛋白(β-lg)作为WPI主要成分进行模拟。

3.1 碳纳米材料对WPI的影响
TEM显示WPI与碳材料复合后未形成纤维结构，而是包裹纳米材料导致聚集。SEM证实CNTs被完全包裹而CNOs部分暴露，这与XRD中CNOs较强衍射峰的结果一致。FTIR分析表明CNOs与WPI形成更稳定的复合物，其酰胺I带吸收峰在0.05 wt%浓度即出现，而CNTs需0.10 wt%才显现。

3.2 分子动力学模拟
模拟体系包含β-lg/C₆₀@C₂₄₀、β-lg/DWCNT和纯β-lg系统。结果显示：

• 二级结构：C₆₀@C₂₄₀使β-lg的β-sheet和α-helix含量降低，转化为更多turn结构；DWCNT则增加N端α-helix含量。
• 氢键作用：复合体系中氢键波动大于纯蛋白系统，证实碳材料影响蛋白质构象稳定性。
• 界面相互作用：CNOs与7个疏水氨基酸(Leu/Met/Ile/Pro/Ala)形成作用，强于DWCNT的4个，解释其实验中更高的复合物稳定性。

该研究创新性发现两种碳纳米材料通过不同机制抑制WPI纤维化：CNOs通过破坏β-sheet和α-helix的有序结构，而DWCNT通过稳定N端α-helix构象。尽管实验条件与生理环境存在差异，但为开发抗纤维化纳米材料提供了重要理论依据，尤其在神经退行性疾病治疗领域具有转化潜力。未来研究需在生理pH/温度条件下验证这些相互作用，以推动其临床应用。