Взаимодействие наночастиц с биологическими молекулами определяется их размером, морфологией, зарядом поверхности и химической функционализацией. На наноуровне доминируют силы Ван-дер-Ваальса, электростатические взаимодействия, водородные связи и гидрофобные эффекты, которые совместно формируют специфичную адсорбцию белков, нуклеиновых кислот и липидов.
Размерной эффект определяется соотношением площади поверхности наночастицы к её объему. При уменьшении диаметра частицы до 1–100 нм удельная поверхность резко возрастает, что увеличивает потенциал связывания биомолекул и изменяет конформацию адсорбированных белков.
Заряд поверхности контролирует электростатическое взаимодействие с ионными группами биомолекул. Положительно заряженные наночастицы активно связываются с отрицательно заряженными белками и клеточными мембранами, что может приводить к агрегации или структурным перестройкам молекул.
Химическая функционализация позволяет направленно изменять аффинность к конкретным молекулам: полиэтиленгликоль (PEG) снижает неспецифическое связывание белков, карбоксильные и аминогруппы обеспечивают селективную конъюгацию с пептидами или антителами.
После контакта с биологической средой наночастицы покрываются слоем адсорбированных белков — белковой короной. Этот слой формируется динамически, зависит от концентрации и состава белков, а также от времени взаимодействия.
Твёрдая корона состоит из высокоаффинных белков, которые плотно адсорбированы на поверхности и сохраняются длительное время. Мягкая корона формируется из низкоаффинных белков, которые динамически обмениваются с окружающей средой.
Белковая корона определяет биологическое поведение наночастицы: распознавание иммунной системой, циркуляцию в крови, проникновение в клетки и взаимодействие с рецепторами. Структурные изменения белков при адсорбции могут индуцировать агрегацию, денатурацию или потерю биологической активности.
Наночастицы обеспечивают стабилизацию и транспорт нуклеиновых кислот в биологических средах. Положительно заряженные поверхности эффективно связывают ДНК и РНК через электростатические взаимодействия, защищая их от нуклеаз.
Конъюгация через химические группы (аминогруппы, тиолы) позволяет формировать ковалентные комплексы, повышающие стабильность и специфичность доставки генетического материала. Геометрия наночастицы влияет на упаковку нуклеиновых кислот: нанопластины и наноподушки обеспечивают более плотное связывание по сравнению с сферическими частицами.
Наночастицы взаимодействуют с клеточными мембранами через гидрофобные и электростатические взаимодействия, а также за счёт рекрутирования мембранных белков. Мелкие наночастицы (<50 нм) могут проникать через мембрану посредством эндоцитоза или прямой диффузии, тогда как крупные частицы стимулируют фагоцитоз.
Функциональные покрытия (липидные слои, фосфолипиды, PEG) модифицируют взаимодействие с мембраной, уменьшая токсичность и обеспечивая направленное проникновение в клетки-мишени.
Для исследования адсорбции биомолекул применяются спектроскопические методы (флуоресцентная спектроскопия, ЯМР, ИК-спектроскопия), микроскопические техники (AFM, TEM, Cryo-EM), а также калориметрические и хроматографические подходы.
Динамическое светорассеяние (DLS) позволяет оценивать размер частиц и белковой короны, а поверхностный плазмонный резонанс (SPR) — кинетику связывания. Совместное применение этих методов обеспечивает комплексное понимание механизма взаимодействия наночастиц с биомолекулами.
Взаимодействие наночастиц с биомолекулами лежит в основе разработки нанотерапевтических систем, вакцин, диагностических платформ и систем целевой доставки. Контроль белковой короны и поверхности частиц позволяет повышать специфичность, уменьшать токсичность и улучшать фармакокинетические свойства.
Способность наночастиц изменять структуру белков и влиять на мембранные процессы используется также для изучения фундаментальных биохимических механизмов, моделирования клеточного взаимодействия и разработки новых биосенсоров.