【摘要】：隨著對納米材料研究的深入,碳基納米材料由于其突出的理化性質(zhì)在材料化學、信息科學、能源等領域有著廣泛的應用前景。近年來,有很多研究發(fā)現(xiàn)碳納米材料可以負載藥物,并實現(xiàn)在體內(nèi)的高效運輸、智能靶向等。因此碳納米管在藥物傳遞以及腫瘤治療等生物醫(yī)學領域被認為是十分具有應用潛力的新型材料。但是由于碳納米材料會以各種形式進入體內(nèi),其潛在的生物毒性不容小覷。有研究者認為碳納米材料本身的化學活性能促使體內(nèi)產(chǎn)生活性氧,是其具有生物毒性的重要原因,而越來越多的實驗以及模擬計算表明,除去碳材料本身的化學活性,它與生物大分子例如蛋白質(zhì)、核酸等之間的相互作用也是其產(chǎn)生毒性的途徑之一。它們會吸附到蛋白質(zhì)上,甚至結(jié)合到蛋白質(zhì)的疏水核心位點而導致其喪失生物活性。因此研究碳基納米材料與生物大分子之間的相互作用機制成為研究無毒、生物相容性高的納米材料的基礎。富勒烯分子是典型的零維碳納米材料,反應活性高,極易穿透細胞膜從而實現(xiàn)在體內(nèi)的運輸,但是由于其表面高度疏水而容易發(fā)生聚集形成團簇。對富勒烯表面修飾親水性基團(-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認為是酪氨酸磷酸酶的潛在抑制劑。然而,其發(fā)揮抑制作用的潛在機制仍然是難以捉摸的。本文結(jié)合分子對接算法(molecular docking)和全原子分子動力學模擬(all-atom molecular dynamics simulation)研究了C_(60)、C_(60)(NH_2)_(30)和C_(60)(OH)_(30)在白細胞共同抗原體(CD45,是一種類似受體的酪氨酸磷酸酶)中的結(jié)合模式及兩者之間的相互作用。本文的研究結(jié)果表明,這三種富勒烯分子都可以對接進CD45的D1和D2結(jié)構(gòu)域之間。其中,C_(60)由于其表面的高度疏水性,結(jié)合位點與后兩者明顯不同。CD45上可以直接與C_(60)(NH_2)_(30)相互作用的殘基的平均數(shù)目比與C_(60)(OH)_(30)作用的多兩個,即F819和F820(位于α3和β12之間的loop區(qū)),從而誘導了C_(60)(NH_2)_(30)和C_(60)(OH)_(30)不同的抑制效應。詳細的MD模擬軌跡分析表明,C_(60)(NH_2)_(30)之所以會誘導CD45產(chǎn)生與空白對比模擬完全不同的相互作用模式,主要是因為α3發(fā)生了錯誤折疊。此外,通過與C_(60)(NH_2)_(30)的對接,D1區(qū)域的活性口袋構(gòu)象和KNRY motif的運動也受到最嚴重的破壞。本文的模擬結(jié)果表明,用氨基修飾的富勒烯衍生物對酪氨酸磷酸酶具有更加明顯的抑制效果,可以作為有效的抑制劑。本文的研究結(jié)果從分子層次上解釋了富勒烯及其衍生物能夠抑制酪氨酸磷酸酶活性的機制,為有效抑制劑的設計提供了理論依據(jù)。單壁碳納米管是目前應用廣泛的二維碳納米材料,在很多領域例如生物納米材料等方面具有很大的研究價值。碳納米管在水溶液以及有機溶劑中可溶性極低,因此非常容易聚集成簇。近來有研究者對小鼠注射不同的碳納米管,發(fā)現(xiàn)聚集成簇的單壁碳納米管在治療甲基苯丙胺成癮方面比單一分散態(tài)的碳納米管具有更為顯著的療效,然而其作用機制仍然未知。通過利用全原子分子動力學模擬,本文研究了不同的單一以及聚合碳納米管(single(10,10)CNT,aggregated-7-(10,10)CNTs以及與其具有相同直徑的單一碳納米管single(35,35)CNT)與酪氨酸羥化酶TyrOH之間的相互作用。TyrOH能夠催化酪氨酸轉(zhuǎn)化成左旋多巴,控制著兒茶酚胺合成途徑的決速步驟。模擬結(jié)果顯示TyrOH可以吸附到這三種碳納米管上,且結(jié)合親和力隨著碳納米管直徑增加而加強。單一分散的(10,10)CNT對蛋白質(zhì)整體結(jié)構(gòu)以及活性口袋構(gòu)象的影響都較小。而(35,35)CNT由于較大的接觸面積會破壞蛋白質(zhì)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性使其徹底失活。聚合態(tài)的7-(10,10)CNTs因其表面周圍存在更多的間隙水能夠靈活地維持蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,但是會改變活性口袋的構(gòu)象,降低原本的底物蝶呤在口袋中的結(jié)合親和力,從而有效地抑制Tyr OH的酶活性。多巴胺轉(zhuǎn)運體(dopamine transporter,DAT)是一種高度保守的跨膜蛋白。其作用機制是利用細胞膜內(nèi)外的電化學梯度實現(xiàn)對多巴胺分子的轉(zhuǎn)運以及重吸收。DAT的功能失常會導致體內(nèi)多巴胺濃度異常增加,即為成癮癥狀。本文通過分子動力學模擬研究了不同的碳納米管與DAT之間的相互作用。本文的研究結(jié)果顯示聚合態(tài)的7-(10,10)CNTs會改變DAT的“門機制”,使其始終保持一個外向打開的構(gòu)象(outward-facing conformation),這個構(gòu)象有利于實現(xiàn)對體內(nèi)多巴胺的重吸收。而兩種單一態(tài)的碳納米管會使DAT的“細胞外門”處于關閉狀態(tài)而無法重吸收多余的多巴胺分子。[~3H]-WIN35,428,是一種效果顯著的多巴胺重吸收的抑制劑,它在DAT活性口袋中的結(jié)合親和力會因為與7-(10,10)CNTs的相互作用而被嚴重破壞,從而間接提高了DAT對多巴胺的結(jié)合和運輸能力。本文的研究結(jié)果提供了相關蛋白質(zhì)與不同聚合度的碳納米管之間的相互作用的動力學解釋,闡明了聚合碳納米管治療藥物成癮的機制。石墨烯是一種由sp~2碳原子組成的碳納米材料,且厚度僅為0.34 nm,足以滿足檢測單個氨基酸或者核酸的條件,因此成為研究單分子檢測器件的熱門材料。本文利用拉伸分子動力學模擬(SMD)研究了硫氧還蛋白(Trx)在不同直徑、不同電荷的石墨烯納米孔之中的遷移行為,并通過施加外來電場的方式計算了Trx在遷移過程中引發(fā)的納米孔電流變化。SMD模擬的結(jié)果顯示當納米孔孔徑較小(1nm)時,氨基酸會在外力以及納米孔空間阻塞效應的“迫使”下逐個遷移過孔,且可以通過拉力F的峰值判斷出帶電氨基酸的遷移,為進一步鑒別單個氨基酸提供了可能性�？讖綖�1.4 nm時,可以觀察到Trx會有明顯的分步遷移特征:殘基A108-L58較為容易遷移---在K57處開始β2與β3、αB之間形成“扭結(jié)”堵塞納米孔---K18之后“扭結(jié)”打開,蛋白質(zhì)遷移完成。孔徑為2 nm時,雖然也能觀察到“扭結(jié)”等去折疊中間態(tài),但是由于空間阻力不夠強大,蛋白質(zhì)最終無法完全的去折疊。本文進一步研究了1 nm孔徑的石墨烯納米孔在蛋白質(zhì)測序中的應用。改變納米孔的電荷并計算Trx遷移引發(fā)的孔內(nèi)電流變化。隨著納米孔的電荷量的增加,Trx的遷移速度也逐漸減緩,這對于測序工作是十分重要的。通過計算帶電納米孔與中性納米孔之間的電流差值,本文發(fā)現(xiàn)差值曲線的峰值所出現(xiàn)的時刻都對應著負電氨基酸的遷移,谷值都對應著正電氨基酸的遷移。雖然只能定性的檢測出正電以及負電氨基酸,但是這也意味著帶電荷的石墨烯納米孔具有在蛋白測序中的應用潛力。本文通過全原子分子動力學模擬、分子對接和拉伸分子動力學等方法,系統(tǒng)地研究了富勒烯、碳納米管和石墨烯與不同生物大分子(蛋白質(zhì))之間的相互作用模式,從分子層次上探討了碳基納米材料對蛋白質(zhì)活性的影響機制以及其在生物器件制造等領域中的應用潛力。
【圖文】：

碳基納米材料是目前應用較為廣泛的一類納米材料，主要包括富勒烯，碳納米管和石墨烯及其衍生物，如圖 1.1 所示。由于碳基納米材料的一系列獨特性質(zhì)，其與其他學科交叉而形成的領域也成為研究熱點32，其中尤其以與生物技術的結(jié)合更為矚目。納米尺度的碳材料可以體內(nèi)高效地運輸，且可以實現(xiàn)智能靶向和準確定位，因而在腫瘤治療33、基因載體34和抗菌藥物35等生物領域具有十分可觀的應用潛力。碳基納米材料在水以及有機溶劑中可溶性極低。因此進行相關實驗時，盡管各種納米材料具有不同的幾何形狀和結(jié)構(gòu)，它們都易形成聚集體而堆積成簇。因此，對碳基納米材料進行適當?shù)谋砻嫘揎棧黾悠渌苄砸彩悄壳暗难芯恐攸c。目前已經(jīng)有很多課題組成功實現(xiàn)了對碳基納米材料的表面修飾，采用的方法主要有兩種：一種是利用表面缺陷進行共價結(jié)合；另一種是依靠納米材料與基團之間的弱相互作用實現(xiàn)非共價結(jié)合36-37。前者產(chǎn)生的效應是不可逆轉(zhuǎn)的，而后者可逆，可以保護碳基材料的結(jié)構(gòu)和電學性能38-39

例如純碳納米管或者富勒烯雖然不活躍，但當能是有害的。它們可能通過吸附蛋白質(zhì)的活性位點，，甚至而導致蛋白質(zhì)功能的喪失，其中 CNT 和蛋白質(zhì)之間的相互毒性的主要因素之一20, 46-47。題組通過分子動力學模擬的方法探索和比較了蛋白質(zhì)在不吸附，包括富勒烯、碳納米管和石墨烯46, 48。如圖 1.2 所示計算方法，揭示了富勒烯以及碳納米管都能夠有效地與酶互作用，阻止活性位點處門機制的開放，從而抑制了酶活性存在尺寸與納米粒子類似的通道或者孔洞，它運輸離子的料的阻塞效應51，如圖 1.2B 所示。這些研究都表明碳基納環(huán)之間的 π-π 堆積作用以及疏水作用是驅(qū)動蛋白質(zhì)吸附的g 等人則表示，除了 π-π 堆積作用以外，帶電氨基酸（例如蛋白質(zhì)在碳材料上的吸附起著重要作用10。
【學位授予單位】：蘇州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 唐峗;李衛(wèi)華;盛亞運;;計算機分子模擬——2013年諾貝爾化學獎簡介[J];自然雜志;2013年06期

2 歐陽芳平 ,徐慧 ,郭愛敏 ,李燕峰;分子模擬方法及其在分子生物學中的應用[J];生物信息學;2005年01期

3 羅旋，費維棟，李超，姚忠凱;材料科學中的分子動力學模擬研究進展[J];材料科學與工藝;1996年01期

本文編號：2606391