碳基纳米材料与生物分子相互作用的分子动力学研究

发布时间：2020-03-29 19:05

【摘要】：随着对纳米材料研究的深入,碳基纳米材料由于其突出的理化性质在材料化学、信息科学、能源等领域有着广泛的应用前景。近年来,有很多研究发现碳纳米材料可以负载药物,并实现在体内的高效运输、智能靶向等。因此碳纳米管在药物传递以及肿瘤治疗等生物医学领域被认为是十分具有应用潜力的新型材料。但是由于碳纳米材料会以各种形式进入体内,其潜在的生物毒性不容小觑。有研究者认为碳纳米材料本身的化学活性能促使体内产生活性氧,是其具有生物毒性的重要原因,而越来越多的实验以及模拟计算表明,除去碳材料本身的化学活性,它与生物大分子例如蛋白质、核酸等之间的相互作用也是其产生毒性的途径之一。它们会吸附到蛋白质上,甚至结合到蛋白质的疏水核心位点而导致其丧失生物活性。因此研究碳基纳米材料与生物大分子之间的相互作用机制成为研究无毒、生物相容性高的纳米材料的基础。富勒烯分子是典型的零维碳纳米材料,反应活性高,极易穿透细胞膜从而实现在体内的运输,但是由于其表面高度疏水而容易发生聚集形成团簇。对富勒烯表面修饰亲水性基团(-NH_2和-OH等)可以提高其水溶性,并能降低生物毒性。富勒烯及其衍生物被认为是酪氨酸磷酸酶的潜在抑制剂。然而,其发挥抑制作用的潜在机制仍然是难以捉摸的。本文结合分子对接算法(molecular docking)和全原子分子动力学模拟(all-atom molecular dynamics simulation)研究了C_(60)、C_(60)(NH_2)_(30)和C_(60)(OH)_(30)在白细胞共同抗原体(CD45,是一种类似受体的酪氨酸磷酸酶)中的结合模式及两者之间的相互作用。本文的研究结果表明,这三种富勒烯分子都可以对接进CD45的D1和D2结构域之间。其中,C_(60)由于其表面的高度疏水性,结合位点与后两者明显不同。CD45上可以直接与C_(60)(NH_2)_(30)相互作用的残基的平均数目比与C_(60)(OH)_(30)作用的多两个,即F819和F820(位于α3和β12之间的loop区),从而诱导了C_(60)(NH_2)_(30)和C_(60)(OH)_(30)不同的抑制效应。详细的MD模拟轨迹分析表明,C_(60)(NH_2)_(30)之所以会诱导CD45产生与空白对比模拟完全不同的相互作用模式,主要是因为α3发生了错误折叠。此外,通过与C_(60)(NH_2)_(30)的对接,D1区域的活性口袋构象和KNRY motif的运动也受到最严重的破坏。本文的模拟结果表明,用氨基修饰的富勒烯衍生物对酪氨酸磷酸酶具有更加明显的抑制效果,可以作为有效的抑制剂。本文的研究结果从分子层次上解释了富勒烯及其衍生物能够抑制酪氨酸磷酸酶活性的机制,为有效抑制剂的设计提供了理论依据。单壁碳纳米管是目前应用广泛的二维碳纳米材料,在很多领域例如生物纳米材料等方面具有很大的研究价值。碳纳米管在水溶液以及有机溶剂中可溶性极低,因此非常容易聚集成簇。近来有研究者对小鼠注射不同的碳纳米管,发现聚集成簇的单壁碳纳米管在治疗甲基苯丙胺成瘾方面比单一分散态的碳纳米管具有更为显著的疗效,然而其作用机制仍然未知。通过利用全原子分子动力学模拟,本文研究了不同的单一以及聚合碳纳米管(single(10,10)CNT,aggregated-7-(10,10)CNTs以及与其具有相同直径的单一碳纳米管single(35,35)CNT)与酪氨酸羟化酶TyrOH之间的相互作用。TyrOH能够催化酪氨酸转化成左旋多巴,控制着儿茶酚胺合成途径的决速步骤。模拟结果显示TyrOH可以吸附到这三种碳纳米管上,且结合亲和力随着碳纳米管直径增加而加强。单一分散的(10,10)CNT对蛋白质整体结构以及活性口袋构象的影响都较小。而(35,35)CNT由于较大的接触面积会破坏蛋白质整体结构的稳定性使其彻底失活。聚合态的7-(10,10)CNTs因其表面周围存在更多的间隙水能够灵活地维持蛋白质二级结构的稳定性,但是会改变活性口袋的构象,降低原本的底物蝶呤在口袋中的结合亲和力,从而有效地抑制Tyr OH的酶活性。多巴胺转运体(dopamine transporter,DAT)是一种高度保守的跨膜蛋白。其作用机制是利用细胞膜内外的电化学梯度实现对多巴胺分子的转运以及重吸收。DAT的功能失常会导致体内多巴胺浓度异常增加,即为成瘾症状。本文通过分子动力学模拟研究了不同的碳纳米管与DAT之间的相互作用。本文的研究结果显示聚合态的7-(10,10)CNTs会改变DAT的“门机制”,使其始终保持一个外向打开的构象(outward-facing conformation),这个构象有利于实现对体内多巴胺的重吸收。而两种单一态的碳纳米管会使DAT的“细胞外门”处于关闭状态而无法重吸收多余的多巴胺分子。[~3H]-WIN35,428,是一种效果显著的多巴胺重吸收的抑制剂,它在DAT活性口袋中的结合亲和力会因为与7-(10,10)CNTs的相互作用而被严重破坏,从而间接提高了DAT对多巴胺的结合和运输能力。本文的研究结果提供了相关蛋白质与不同聚合度的碳纳米管之间的相互作用的动力学解释,阐明了聚合碳纳米管治疗药物成瘾的机制。石墨烯是一种由sp~2碳原子组成的碳纳米材料,且厚度仅为0.34 nm,足以满足检测单个氨基酸或者核酸的条件,因此成为研究单分子检测器件的热门材料。本文利用拉伸分子动力学模拟(SMD)研究了硫氧还蛋白(Trx)在不同直径、不同电荷的石墨烯纳米孔之中的迁移行为,并通过施加外来电场的方式计算了Trx在迁移过程中引发的纳米孔电流变化。SMD模拟的结果显示当纳米孔孔径较小(1nm)时,氨基酸会在外力以及纳米孔空间阻塞效应的“迫使”下逐个迁移过孔,且可以通过拉力F的峰值判断出带电氨基酸的迁移,为进一步鉴别单个氨基酸提供了可能性。孔径为1.4 nm时,可以观察到Trx会有明显的分步迁移特征:残基A108-L58较为容易迁移---在K57处开始β2与β3、αB之间形成“扭结”堵塞纳米孔---K18之后“扭结”打开,蛋白质迁移完成。孔径为2 nm时,虽然也能观察到“扭结”等去折叠中间态,但是由于空间阻力不够强大,蛋白质最终无法完全的去折叠。本文进一步研究了1 nm孔径的石墨烯纳米孔在蛋白质测序中的应用。改变纳米孔的电荷并计算Trx迁移引发的孔内电流变化。随着纳米孔的电荷量的增加,Trx的迁移速度也逐渐减缓,这对于测序工作是十分重要的。通过计算带电纳米孔与中性纳米孔之间的电流差值,本文发现差值曲线的峰值所出现的时刻都对应着负电氨基酸的迁移,谷值都对应着正电氨基酸的迁移。虽然只能定性的检测出正电以及负电氨基酸,但是这也意味着带电荷的石墨烯纳米孔具有在蛋白测序中的应用潜力。本文通过全原子分子动力学模拟、分子对接和拉伸分子动力学等方法,系统地研究了富勒烯、碳纳米管和石墨烯与不同生物大分子(蛋白质)之间的相互作用模式,从分子层次上探讨了碳基纳米材料对蛋白质活性的影响机制以及其在生物器件制造等领域中的应用潜力。
【图文】：

几何形状,富勒烯,碳纳米管,石墨

碳基纳米材料是目前应用较为广泛的一类纳米材料，主要包括富勒烯，碳纳米管和石墨烯及其衍生物，如图 1.1 所示。由于碳基纳米材料的一系列独特性质，其与其他学科交叉而形成的领域也成为研究热点32，其中尤其以与生物技术的结合更为瞩目。纳米尺度的碳材料可以体内高效地运输，且可以实现智能靶向和准确定位，因而在肿瘤治疗33、基因载体34和抗菌药物35等生物领域具有十分可观的应用潜力。碳基纳米材料在水以及有机溶剂中可溶性极低。因此进行相关实验时，尽管各种纳米材料具有不同的几何形状和结构，它们都易形成聚集体而堆积成簇。因此，对碳基纳米材料进行适当的表面修饰，增加其水溶性也是目前的研究重点。目前已经有很多课题组成功实现了对碳基纳米材料的表面修饰，采用的方法主要有两种：一种是利用表面缺陷进行共价结合；另一种是依靠纳米材料与基团之间的弱相互作用实现非共价结合36-37。前者产生的效应是不可逆转的，而后者可逆，可以保护碳基材料的结构和电学性能38-39

碳基材料,蛋白质结构,结构示意图,富勒烯

例如纯碳纳米管或者富勒烯虽然不活跃，但当能是有害的。它们可能通过吸附蛋白质的活性位点，，甚至而导致蛋白质功能的丧失，其中 CNT 和蛋白质之间的相互毒性的主要因素之一20, 46-47。题组通过分子动力学模拟的方法探索和比较了蛋白质在不吸附，包括富勒烯、碳纳米管和石墨烯46, 48。如图 1.2 所示计算方法，揭示了富勒烯以及碳纳米管都能够有效地与酶互作用，阻止活性位点处门机制的开放，从而抑制了酶活性存在尺寸与纳米粒子类似的通道或者孔洞，它运输离子的料的阻塞效应51，如图 1.2B 所示。这些研究都表明碳基纳环之间的 π-π 堆积作用以及疏水作用是驱动蛋白质吸附的g 等人则表示，除了 π-π 堆积作用以外，带电氨基酸（例如蛋白质在碳材料上的吸附起着重要作用10。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

【参考文献】