基于粗粒度分子动力学的脂质双层膜建模方法及电穿孔特性研究

发布时间：2020-07-15 08:08

【摘要】：脂质双层膜是所有生物体中细胞和细胞内膜的主要成分,它在生物过程中必不可缺,例如细胞信号传导和蛋白质功能。脂质双层膜现在还被用于产生在多种疾病的治疗中靶向递送蛋白质,核酸和药物的装置。使用这些结构开发治疗剂的科学家已经取得了显着进展。通过计算机技术里面的工具可以让研究人员在分子水平上可视化脂质双层的结构和功能,这有助于提高这些领域的发展速度。脂质双层膜模型可以为纳米材料和脂质双层膜的相互作用这类方面的研究提供基础。本文的主要研究工作如下:首先,介绍了脂质双层膜的研究背景和意义,对现阶段脂质双层膜的国内外研究现状进行了总结和分析;概述了分子动力学(MD)的基本原理、计算流程和相关机制,并介绍了脂质双层膜的马丁尼力场和耗散粒子动力学的基础理论;概述了脂质双层膜仿真建模时使用的PACKMOL、Moltermplate、大规模原子分子并行模拟器(LAMMPS)和开源可视化处理工具(OVITO)分子模拟软件。其次,在建模的过程中,由于马丁尼(Martini)力场采用的单位为实际物理单位,所以参数的选择较为方便,而耗散粒子动力学(简称DPD)力场将单位无刚量化,其参数的设置涉及了较多实验和理论研究。本文在对Martini力场下的1-棕榈酰-2-油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱(DPPC)的基础上针对DPD力场下的脂质双层模型1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱(DOPC),确定合适的度量单位及模拟参数。总结了关键参数的单位和标准,使用并编写符合PACKMOL和Moltemplate语法格式的脚本文件产生模拟所需的系统模拟数据文件。最后,选定MD计算的起点和温度,并针对Martini力场下的DPPC脂质双层膜自组装及电穿孔现象进行了分子动力学模拟分析,对于DPD力场下的DOPC脂质双层膜NVT系综及电穿孔现象进行模拟分析。本文在Martini力场的基础上对DPD力场DOPC模型的模拟参数和单位尺度进行了校准。本文基于粗粒度分子动力学(GCMD),研究了溶剂为水的脂质双层膜建模方法,旨在对脂质双层膜的不同初始状态提供了高效的建模方法,并扩展了分子动力学模拟的时间尺度、提高了计算效率;对脂质双层膜在Martini力场下的自组装行为进行了模拟,并给出了径向分布函数(RDF)分析的曲线;进一步,研究了DPD力场与Martini力场的基本模拟参数设置和校准。本文的研究为探究脂质双层膜与纳米材料相互作用的研究提供了高效的建模方法,通过分析脂质双层膜在电场下电穿孔现象的不同属性与场强大小的关系,为今后粗粒度分子动力学在生物医疗等相关方面的应用提供了理论参考。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q26
【图文】：

原子观,电穿孔,分子动力学模拟,健康人

在 MS-RBC 模型中的 RBC 膜被建模为粘弹性弹簧的二维三角网络，其包括弹性、弯曲和粘性特性等数据。图1.1 健康人类的红细胞对于生物膜电穿孔，人们通过分析过程的分子动力学模拟提供了原子观察水平。在膜外部电场存在的情况下，两个脂质和水分子的单层之间的优选偶极取向的不对称变化加速了电穿孔的形成，导致不对称的电场，特别是在疏水核心之间的过渡区域和亲水性头部区域（参见 Tieleman[30]）。其与这种不对称性相关联，脂质突起的数量显著增加。这一发现得到了以前的模拟研究人员的支持，这些研究进行了在部分原子电荷设置为零的情况下辛烷板[30]或 DPPC 双层电穿孔形成所需增加的电场强度[31]。通过分析电穿孔形成时间的分布和与动力学实验的比较，建议两种中间体：取决于外部场强度具有改进的头基取向（T）的状态和膜上封闭水脂薄膜的预制状态（Q）（图 1.2E=0.395V/nm，18.7ns 之后的电穿孔形成的快照。突出了初始步骤的脂质和水分子

纳米材料,脂质双层,电穿孔,现象

[35]仍然是必要的。图1.2 典型电穿孔现象对于纳米材料与脂质双层膜相互作用的 CGMD。在热波动下，纳米材料经历布朗运动，包括在双层附近的快速振动、旋转和迁移。观察到一旦片状物发现具有与膜几乎正交的最锐角之一的构型，就开始自发穿入双层。纳米材料与脂质的尾部组之间的吸引力相互作用促进了穿透，但是只有在穿透角的顶端接触双层的疏水核心之后才发生穿孔。在粗粒度（CoarseGrain，简称 CG）模拟中，脂质膜可以被纳米材料片完全穿透，伴随着纳米材料片的倾斜，进行最大化其与膜内部的覆盖。在本文的模拟中，小石墨烯薄片由于尺寸小而最终嵌入双层膜。具有两个不同拐角角度（30°和 60°）的菱形石墨烯薄片的模拟表明

微片,内化,石墨,脂质双层

胞器的整体结构和完整性得以保留（图 1.3D 和 E），证实了体外试验显示了保存的细胞活力。图1.3 多层石墨烯微片的细胞摄取和内化。1.3 本文主要工作由上述内容可以分析出脂质双层膜的计算模拟在疟疾等疾病的理论分析中发挥着重要的作用。本课题基于 CGMD，使用 PACKMOL 和 Moltemplate 软件创建溶剂为水的脂质双层膜模拟系统。旨在对 Martini 和 DPD 力场基本模拟参数的不同衡量尺度进行比较，并为脂质双层膜的不同初始状态提供高效的建模方法。研究了脂质双层膜电穿孔的不同特征与场强大小的关系，研究的结果能够促进对脂质双层膜的全面认识，并为脂质双层膜在生物医疗等应用中提供更多的理论支持。本文各个章节的具体内容安排如下：第一章，首先介绍本课题研究的背景和意义；然后介绍现阶段脂质双层膜在医学研究领域以及对于脂质双层膜的膜电穿孔现象及用于生物医疗的研究现状；最后介绍本文的主要内容和工作安排。第二章，主要介绍本文涉及的理论。首先介绍分子动力学模拟技术的基本原理；然后介绍了粗粒化模拟技术理论，重点介绍了本文所采用的 Martini 力场和 DPD 力场的基本原理

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