光触媒タンパク質近接標識を介したナノプラスチックの細胞内タンパク質コロナ成分の解明

ナノ形成粒子の生体内蓄積により、環境の持続可能性とバイオセーフティに関する注目が高まっています。ナノ形成粒子が細胞環境とどのように相互作用するかは、まだとらえどころのないままです。ここでは、光触媒タンパク質近接標識法を介してナノ粒子と相互作用する「タンパク質コロナ」の組成をプロファイルするための一般的なアプローチを例証します。粒子と相互作用するプロテオームの光触媒近接標識を有効にするために、ヨウ素置換Bodipy（I-bodipy）が光増感剤として選択され、モデルシステムとしてアミノポリスチレンナノ粒子に共有結合します。次に、相互作用するタンパク質の選択的近接標識は、大腸菌ライセートと生きたアルファマウス肝臓の両方の細胞の両方で、I-Bodipy標識ナノ形成粒子を使用して実証されています。機構的研究により、アミノアルキン基質によるタンパク質の共有結合修飾は、活性酸素種の光増感経路を介して行われることが明らかになりました。さらなるプロテオーム解析により、ミトコンドリア関連のタンパク質がタンパク質コロナに集中的に関与していることを明らかにし、ナノ形成粒子とミトコンドリア間の実質的な相互作用を示しています。さらに、蛍光イメージングによって確認された結果として生じる細胞プロテオーム凝集を伴うタンパク質症のネットワークコンポーネントも特定されています。一緒に、この研究は、光酸化特性を与えて光触媒タンパク質の近接標識機能を可能にすることにより、ナノ材料のタンパク質コロナの組成を尋問するための一般的な戦略を例示しています。

Bioaccumulation of nanoplastic particles has drawn increasing attention regarding environmental sustainability and biosafety. How nanoplastic particles interact with the cellular milieu still remains elusive. Herein, we exemplify a general approach to profile the composition of a "protein corona" interacting with nanoparticles via the photocatalytic protein proximity labeling method. To enable photocatalytic proximity labeling of the proteome interacting with particles, iodine-substituted BODIPY (I-BODIPY) is selected as the photosensitizer and covalently conjugated onto amino-polystyrene nanoparticles as a model system. Next, selective proximity labeling of interacting proteins is demonstrated using I-BODIPY-labeled nanoplastic particles in both Escherichia coli lysate and live alpha mouse liver 12 cells. Mechanistic studies reveal that the covalent modifications of proteins by an aminoalkyne substrate are conducted via a reactive oxygen species photosensitization pathway. Further proteomic analysis uncovers that mitochondria-related proteins are intensively involved in the protein corona, indicating substantial interactions between nanoplastic particles and mitochondria. In addition, proteostasis network components are also identified, accompanied by consequent cellular proteome aggregation confirmed by fluorescence imaging. Together, this work exemplifies a general strategy to interrogate the composition of the protein corona of nanomaterials by endowing them with photooxidation properties to enable photocatalytic protein proximity labeling function.