基於碳納米管的納米孔系統的生物分子檢測的模擬研究

《基於碳納米管的納米孔系統的生物分子檢測的模擬研究》是依託浙江大學，由李敬源擔任項目負責人的面上項目。

項目摘要

納米孔生物檢測研究，尤其是對寡核苷酸的檢測是單分子生物研究領域的重要方向。基於碳納米管的納米孔系統具有孔徑較小、檢測靈敏度較高等優勢。研究發現ClpXP蛋白酶水解底物過程中，底物蛋白發生受力去摺疊並伴隨多肽鏈轉運過程。蛋白質這種特殊的去摺疊-共轉運行為及其受力幾何關係，可在具有類似形狀的碳納米管系統中實現。本項目對碳納米管系統中寡核苷酸的構象戀習龍嚷和運動以及泛素蛋白的去摺疊-共元禁夜轉運行為進行模擬研究。討論寡核苷酸構象與離子流量對核苷酸修飾基團的回響，探索降低寡核苷酸運動速度的方法(寡核苷酸運動速度過快是影響檢測解析度的重要原因）鞏櫃；研究蛋白質去摺疊反應及構象變化過程，刻畫去摺疊過程關鍵步驟及對應的離子流量，研究碳納米管內多肽鏈的轉運速率及管徑等因素的影響。上述研究將為進一步提高納米孔檢測的靈敏度和解析度奠定基礎，並探索納米孔擊乃艱生物研究的新領域：蛋白質在一端受力情況下的去摺疊-共轉運行為。

結題摘要

在本項目研究中，利用分子動力學等計算模擬方法討論蛋白質和寡核苷酸分子在基於碳納米管的納米孔系統中的結構性質、動力學行為及其作用規律與影響因素，較為系統的研究了納米尺度受限環境以及婆兆榜蛋白質、寡核苷酸分子的結構穩定性對生物分子傳輸行為以及對應的電流信號的影響。其中研究發現單個修飾鹼基可以顯著增強碳納米管中DNA的吸附，從而有效抑制DNA對於離子輸運的位阻效應，提高離子流量，這種基於碳納米管系統的電流信號可以對DNA鏈上單個鹼基的差異進行高靈敏檢測。通過研究蛋白質在碳納米管中輸運行為的關鍵步驟：在入口處的去摺疊行為，發現去摺疊過程存在多個反應中間態，與常見的去摺疊方式有著顯著區別。上述發現不僅芝歡妹茅有助於揭示蛋白質跨膜轉運過程中結構穩定性的影響，而且豐富了我們對於蛋白質構象穩定性結構基礎的理解。進一步將蛋白質結構穩定性與傳輸行為之間關係的研究拓展到寡核苷酸的結構穩定性及其對傳輸的影響，討論pRNA三路交叉結構的力學穩定性院姜采，發現寡核苷酸結構穩定性具有明顯的各向異性，這是由於鎂離子會嵌入到寡核苷酸結構中，使結構在特定方向上形成耦合。研究提出可以利用力學穩定性的各向異性降低寡核苷酸轉運速率，提高納米孔檢測解析度這一研究思路。我們還將基於碳納米管納米孔系統的研究拓展到多孔二維納米材料FePc的研究中，希望通過利用這種納米材料中內稟的納米孔結構，實現對納米孔尺寸的精確控制。在這一探索性研究中，我們討論納米孔與離子的相互作用對於離子輸運行為的影響。共發表相關通訊作者研究論文10篇，其中包括Science Advances一篇，Chemical Communication一篇，Nanoscale二篇。通過本項目的研究，較為深入的討論了蛋白質、寡核苷酸分子在碳納米管系統的輸運行為與對應電流信號的影響因素，特別是生物分子結構穩定性對生物分子運動的影響，以及生物分子的吸附對離子運動的影響，上述研究結果將為有效調控生物分子的運動速度，調節離子運動對不同基團的回響，從而提高納米孔生物檢測的解析度與靈敏度提供新的思路。