生物材料表面拓撲對於蛋白質特異性吸附作用的研究

《生物材料表面拓撲對於蛋白質特異性吸附作用的研究》是依託大連理工大學,由谷俊峰擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：生物材料表面拓撲對於蛋白質特異性吸附作用的研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：谷俊峰

項目摘要

設計開發具有特異誘導性的生物材料，使其能夠針對性的激發人體相應組織和器官的再生修復功能，是現代生物材料學的重要發展方向。生物材料表面拓撲結構在很大程度上決定了材料的表面性質，並影響其與人體內蛋白質的相互作用，以至決定了後續的細胞回響以及組織生長，但目前對材料表面拓撲與蛋白質之間的作用機理還缺乏深入的了解，阻礙了現代生物材料研究的發展。本項目擬基於生物材料的表面拓撲設計來進行具有特異誘導性功能生物材料的研究。針對研究中的關鍵問題，我們擬首先開發一個針對生物界面模擬的軟體平台以及粗粒度力場，以在分子水平上深入考察生物材料表面拓撲與蛋白質之間的作用機理；然後根據上一步的研究成果來建立生物材料表面拓撲結構最佳化的合理模型，並針對選定的生物材料進行最佳化求解，使其對目標蛋白具有特異性吸附功能，以最終能夠指導現代生物材料的開發設計。

結題摘要

本項目立足發展先進生物材料的需要，重點研究了生物材料表面結構對於蛋白質的特異性吸附作用。根據原研究計畫，本項目首先建立了金紅石（110）晶面與纖連蛋白（FN-III10）相互作用體系的全原子模型，並考察了金紅石納米尺度表面結構對於纖連蛋白吸附的影響，研究結果顯示金紅石表面納米結構對於纖連蛋白吸附的取向和穩定性有著顯著影響，並揭示了其影響規律和機理，為生物材料的表面設計提供了依據和指導作用。其次，針對模擬生物大分子以及其複合物在生物材料上的吸附界面作用時，因生物大分子具有較高的自由度，所以其模擬時間尺度以及空間尺度通常受到很大限制，遠遠不能滿足實際的需要，設計了一種新型的蛋白質粗粒度模型，並且開發了相應的粗粒度力場，模擬結果顯示了本方法大幅度提高了蛋白質模擬的效率，並具有較高的模擬精度，顯示了該粗粒度策略以及相應力場的有效性。再次，搭建了一個生物材料界面模擬雲計算平台，此平台包含了典型生物材料結構以及典型界面模擬的分子力場，同時該平台可為用戶提供生物界面模擬分析所需的軟、硬體資源，利用該平台可以加快開發過程，簡化使用方式，促進研究成果的傳播以及套用。此外，針對蛋白與生物材料的界面結合自由能預測難題，本項目發展了多種結合自由能預測方法。其中，基於非平衡分子動力學的自由能預測方法克服了基於Jarzynski方程的自由能預測方法計算效率低的缺點，具有廣闊的套用前景。基於能量全景圖的自由能預測方法，能快速、準確地計算預測配體與受體的結合親和力及動力學參數，有望推廣到生物材料領域來指導以及設計生物材料的表面性質。本項目通過設計開發新的模擬體系、算法以及模型，使其適應生物材料模擬與分析的需要，以獲得更為精確的模擬結果，並用以指導先進生物材料的設計，其實施為數值模擬計算在生物材料設計中的套用提供了有力的支撐。