蛋白質與碳基納米顆粒相互作用的理論研究

《蛋白質與碳基納米顆粒相互作用的理論研究》是依託復旦大學，由左光宏擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：蛋白質與碳基納米顆粒相互作用的理論研究
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：左光宏

項目摘要

蛋白質與碳基納米顆粒相互作用的知識對於理解納米毒性以及納米藥物設計都具有重要意義。本項目將結合分子動力學模擬與理論物理方法，系統研究碳基納米顆粒對蛋白質的結構以及蛋白質複合物的結合的影響，並嘗試利用這些知識來設計可與靶蛋白活性位點結合的碳基納米顆粒。在本項目中，我們將首先使用全原子分子動力學模擬各種碳基納米顆粒與蛋白質以及蛋白質-配體複合物相互作用的過程，研究蛋白質在相互作用過程中構象的變化，以及碳基納米顆粒對於蛋白質-配體結合過程的影響，進而考察碳基納米顆粒對於蛋白質功能的影響。然後再對模擬數據進行系統分析，結合平均場理論以及相關物理理論與方法，建立粗粒化模型，在分子層次上為碳基納米顆粒與蛋白質相互作用以及對於蛋白質功能的影響提出理論解釋。最後還要基於這些知識，嘗試設計能與蛋白質結合位點特異結合的碳基納米顆粒。從而為理解納米毒性機制以及納米藥物的設計提供理論基礎。

結題摘要

蛋白質與碳基納米顆粒相互作用的知識對於理解納米毒性以及納米藥物設計都具有重要意義。本項目立項的研究內容為，結合分子動力學模擬與理論物理方法，系統研究碳基納米顆粒對蛋白質的結構以及蛋白質複合物的結合的影響，並嘗試利用這些知識來設計可與靶蛋白活性位點結合的碳基納米顆粒。總體來說，研究按計畫有序的執行，並取得了一定的研究成果。具體來說，在該項目的支持下，我們發現了碳納米管的管徑與石墨烯的柔性對於其與蛋白質相互作用的過程中所起的作用，這促進了我們對於蛋白質與碳納米顆粒相互作用的理解。通過使用模本交換算法，模擬了已經結合的蛋白質-配體複合體與碳納米管相互作用的過程，發現了碳納米管從蛋白質活性位點排擠出配體的過程，這是一種新的碳納米顆粒破壞蛋白質-配體複合體的途徑，補全了我們之前理論的最後一環，對於理解納米毒性具有重要的意義。結合我們在此領域的研究積累，我們發展出了一套分析生物複雜系統動力學模擬軌跡的研究方法——能量標度的軌跡地圖方法（EscalTM），提出了一種的的描述複雜系統動力學的序參量——有效能量。該兩項成果不僅能夠用來研究蛋白質與納米顆粒的相互作用，還能套用到複雜系統的動力學軌跡的研究中去。我們基於反射玻爾茲曼疊代算法，初步建立了對蛋白質與碳納米顆粒相互作用粗粒化建模與模擬的軟體平台，並利用該平台建立了蛋白質與納米顆粒相互作用的簡化模型，發展了蛋白質與納米顆粒相互作用影響因素的唯象解釋。此外，我們還研究了特異性修飾的碳基納米顆粒與靶蛋白特異性結合動力學行為，為經後能設計出與靶蛋白特異性結合的碳基納米顆粒，並進一步的設計納米藥物，提供有益的前期實踐。