利用多光谱技术研究ZnO纳米颗粒对酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中生物分子变化的影响

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Multi-spectroscopic investigation of ZnO nanoparticle-induced biomolecular alterations in Saccharomyces cerevisiae

　　

S. Mathumitha|Mahalakshmi Balamurali|Manivannan Jeganathan|Sivasubramanian Jeganathan

印度泰米尔纳德邦马杜赖市Madura学院物理系研究生及研究部门

摘要

纳米颗粒与生物系统之间的相互作用是纳米毒理学中的一个关键领域。本研究利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱、¹H核磁共振（NMR）和荧光光谱技术，探讨了氧化锌（ZnO）纳米颗粒对Saccharomyces cerevisiae的生化变化。FTIR区域的振动光谱显示蛋白质酰胺区域发生了显著变化，脂质代谢、碳水化合物和核酸也出现了明显失衡。拉曼光谱进一步发现了糖原、特定氨基酸和磷酸二酯键的变化，通过对酰胺I区域的曲线拟合证实了蛋白质二级结构的变化。¹H NMR数据鉴定出九种主要代谢物，揭示了对照组与暴露组之间的显著代谢差异。观察到的变化主要干扰了氨基酸代谢。荧光光谱检测证实氧化应激、脂质过氧化和细胞毒性呈剂量依赖性增加，这与光谱结果高度一致。这些发现阐明了ZnO纳米颗粒的毒性机制，即通过氧化应激和生物分子损伤发挥作用，体现了光谱分析在纳米毒性评估中的关键作用。

引言

在过去几十年中，纳米颗粒（NPs）因具有独特的物理化学性质而受到广泛关注，这些性质包括尺寸减小、形态多样、表面积与体积比高以及反应活性增强[1]、[2]。这些显著特性吸引了全球研究人员的兴趣[3]，使纳米颗粒成为生物医学、光电子学、催化、药物递送、食品工业、化学工程和环境科学等领域研究的重点材料[4]、[5]、[6]、[7]。然而，纳米颗粒在各个领域的广泛应用对环境和人类健康构成了潜在威胁，引发了关于生物安全及其对生物体毒理影响的严重担忧[8]。最新研究表明，纳米颗粒可以结合细胞膜、蛋白质和DNA，导致生物体内发生深刻的生化变化[9]。纳米毒理学涵盖多种纳米颗粒，如TiO₂、ZnO、Ag、Au、SiO₂和CuO等，它们具有不同的物理化学性质和应用领域，并对生物系统表现出毒性[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。文献表明，这些纳米颗粒与生物分子相互作用，影响生理过程并引发毒性[16]。

在评估毒性的各种纳米材料中，氧化锌（ZnO）因其广泛的工业应用而备受关注[17]。其独特的物理和化学性质使得ZnO纳米颗粒被广泛应用于化妆品、涂料、陶瓷、药膏、粘合剂、催化剂、晶体管、半导体二极管、纺织品和色素以及营养补充剂[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。尽管技术取得了进步，但人们对ZnO纳米颗粒对生物系统的不良影响仍日益担忧。与其他材料相比，ZnO纳米颗粒在研究毒性方面更具优势，因为它们普遍存在且能产生活性氧[23]。大量体外研究表明ZnO纳米颗粒具有显著的细胞毒性[24]、[25]、[26]。虽然ZnO纳米颗粒的毒理效应已在细菌[27]、藻类[28]和海洋生态系统[29]中得到广泛研究，但针对真菌（尤其是酵母）的影响的研究相对较少。只有少数研究确认了ZnO纳米颗粒在Saccharomyces cerevisiae中的毒性[30]、[31]、[32]。

因此，本研究旨在评估ZnO纳米颗粒在Saccharomyces cerevisiae（俗称啤酒酵母）中的毒性。S. cerevisiae作为一种单细胞真核生物，由于其细胞结构和与高等生物的功能相似性，是生物研究的理想模型[33]。然而，即使在文献中也有不同的报告，关于ZnO纳米颗粒的毒性效应仍缺乏共识。这种分歧凸显了系统化表征技术的迫切需求，以准确分析纳米颗粒的毒性机制[35]。传统的体外实验虽然应用广泛，但存在局限性：它们通常耗时较长，且纳米颗粒与荧光染料之间的相互作用可能导致数据失真或矛盾的结果[36]。为了减少此类错误，建议同时进行多种体外实验[37]。尽管存在这些限制，当与传统分析技术结合使用时，传统实验仍能提供支持性数据，从而更全面地理解毒理过程。

相比之下，标准化光谱技术在纳米毒性评估中的应用仍然有限。在本研究中，我们计划利用先进的光谱方法（包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱、核磁共振（NMR）和荧光光谱）来探讨ZnO纳米颗粒的毒性效应。FTIR是一种振动光谱技术，是一种非破坏性的分析工具，非常适合研究纳米颗粒与生物体之间的分子相互作用引起的结构变化[38]。它通过分析样品中分子键的振动模式，提供分子水平上的化学组成详细信息[39]。作为补充，拉曼光谱在生物分子水平上提供全面的结构信息，有助于识别二级结构的变化[40]。FTIR和拉曼都是相关的振动光谱技术，能够清晰地分析外部压力下的生物分子变化。NMR光谱是代谢组学分析的常用工具[41]，它是探测与外部压力相关的代谢物分子水平变化的强大技术，能够提供关于毒性暴露下代谢紊乱的宝贵见解[42]。基于NMR的代谢组学结合统计分析，有助于研究易受毒性压力影响的生物系统中的生化变化。此外，荧光光谱是一种高度敏感的技术，利用紫外线诱导的光发射来监测纳米颗粒引起的细胞效应[43]。荧光探针已被证明是探索纳米颗粒对细胞系统分子影响的有效且经过验证的方法[43]。

与传统方法不同，光谱学研究通过分析纳米颗粒暴露后生物分子成分的变化，直接提供了毒性机制的证据[44]。近期文献强调了光谱方法在描绘纳米颗粒表面与生物系统界面之间分子相互作用方面的实用性[45]、[46]。因此，本研究采用光谱方法作为研究纳米颗粒毒性的有效途径。本研究旨在通过这些先进分析技术，建立理解Saccharomyces cerevisiae在暴露于ZnO纳米颗粒后生物分子相互作用的全面框架。

章节摘录

ZnO纳米颗粒的表征

从Sigma-Aldrich购买了粒径小于100纳米的ZnO纳米颗粒。使用多种表征技术评估了ZnO纳米颗粒的物理化学性质。使用X射线衍射仪（XRD，印度IIT Madras化学系）在2θ范围内检测了纳米颗粒的晶体性质和尺寸。利用高分辨率扫描电子显微镜和能量分散X射线（HRSEM-EDX）检查了ZnO纳米颗粒的表面形态和平均粒径

ZnO纳米颗粒的XRD分析

使用Cu Kα辐射（λ = 1.5406 ?）记录了纯ZnO纳米颗粒的X射线衍射图谱，2θ范围为0 ≤ 10° ≤ 80°（图1）。各峰的2θ值分别为：(1 0 0)、(0 0 2)、(1 0 1)、(1 0 2)、(1 1 0)、(1 0 3)、(2 0 0)、(1 1 2)、(2 0 1)，分别为31.7°、34.4°、36.2°、47.5°、56.5°、62.8°、66.4°、67.9°、69.1°。这些峰强烈表明ZnO纳米颗粒具有纤锌矿结构[59]。更尖锐的衍射峰清楚地表明了纳米晶体的特性

结论

本研究通过多模态光谱方法成功表征了ZnO纳米颗粒在Saccharomyces cerevisiae中引起的生化扰动。FTIR区域的振动光谱提供了蛋白质、脂质和核酸谱型显著变化的可靠定性和定量证据，酰胺I带表明暴露于纳米颗粒的细胞中β-折叠片层结构占主导地位。补充的振动光谱进一步证实了这些变化

资助

本手稿的撰写未获得任何资助

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。