多肽與無機晶體相互作用的多尺度模擬方法研究

《多肽與無機晶體相互作用的多尺度模擬方法研究》是依託杭州師範大學，由沈嘉煒擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：多肽與無機晶體相互作用的多尺度模擬方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：沈嘉煒
• 依託單位：杭州師範大學

項目摘要

自然界的生物材料因其多重分級結構而具有極高的強度和韌性。在分子水平上研究蛋白質等生物分子如何控制礦物晶體的成核、組裝和生長將幫助研究者設計具有優異性質的仿生材料。本研究將以多肽和無機碳酸鈣晶體作為模型，發展生物分子與無機晶體相互作用的多尺度模擬方法。我們首先將利用全原子分子動力學（MD）方法在微秒的時間尺度內，深入研究多肽與碳酸鈣的相互作用機理，然後利用在全原子水平上得到的複合體系的結構、熱力學和動力學性質，發展多肽–碳酸鈣相互作用的粗粒化模型，並將研究的時間尺度擴展至毫秒級別。最後將粗粒化水平上的複合體系平衡構型後向映射回全原子水平，從而能在原子層次上研究晶體表面多肽平衡吸附時的構型、結合位點、溶劑效應及表面氫鍵網路等重要性質。項目中多尺度模擬方法的建立，將幫助我們在不同空間尺度（nm到μm）及時間尺度（ps到ms）內理解多肽與碳酸鈣晶體間的相互作用，為合理的仿生材料設計提供理論指導。

結題摘要

隨著納米材料在生物材料、藥物傳遞系統、生物醫藥、基因測序等領域的套用及飛速發展，如何在原子及分子層面理解納米材料與生物分子（如蛋白質、DNA、生物膜）之間的相互作用，從而設計更高效和安全的納米材料是目前納米技術研究的重點與難點。通過本報告的研究，我們利用多尺度模擬技術，在多個空間及時間尺度上對碳酸鈣、碳納米管、石墨烯、C60等納米顆粒與多肽、DNA、磷脂雙分子膜等生物分子之間的相互作用進行了深入的研究。我們發現，納米材料的顆粒大小、表面電荷、化學組成、拓撲結構、化學修飾等性質，和生物分子的結構單元、聚合度、電荷分布、空間構型、親疏水性、骨架及側鏈結構等性質對兩者間的相互作用（吸附、組裝、包封、傳遞等）具有重要的影響。在具體作用過程中往往表現出范德化力、靜電相互作用、氫鍵作用、熵效應等各種微觀作用力進行主導，或幾種作用力協同調節的特點。通過本報告的研究，提示我們今後研究有機-無機複合體系這類複雜化學體系時，不能僅局限於單一的時間及空間尺度，而需要在這一類複雜體系的多個時間及空間尺度研究其熱力學及動力學特徵，全面了解影響材料組裝、分子吸附、包封及傳遞的主導因素和各種影響因素，從而在分子層面進行材料設計，促進納米材料的套用與發展。