软着陆制备蛋白质（肽）微阵列的化学动力学模拟研究

The preparation of protein or peptide microarray has become a research hotspot because their potential applications in biology, clinic medicine and environment monitor. Techniques based on soft-landing (SL) have a clear advantage in ability for preparation of the microarray by intact immobilization of the protein (peptide) on the support surfaces. The collisions between protonated triglycine (gly3+) with folded and extended conformations and different self-assembled monolayer (SAMs) surfaces (H-SAM, F-SAM and COOH-SAM) undergoing SL have been studied by employing both the Quantum Mechanics (QM) and Mechanical Mechanics (MM). The factors that influence the dynamics and efficiency of deposition of the peptides on surfaces and the relationship between structure and property of SAMs and peptide immobilization and biological reactivity have been revealed at atomic level. It would be valuable for exploring the techniques of the preparation of protein or peptide microarray.

蛋白质（肽）微阵列在生物学、临床医学和环境监测等方面具有重要应用价值，其制备技术成为研究热点。软着陆（SL）技术可将蛋白质（肽）完整吸附于载体表面，成为一种具有良好应用前景的微阵列制备方法。本项目拟应用量子力学（QM）和分子力学（MM）结合方法对折叠型和舒展型的质子化氨基乙酸三聚体（gly3+）在三种自组装单层膜（H-SAM，F-SAM，和COOH-SAM）的软着陆过程进行直接动力学模拟，从原子水平上探索影响多肽固定效率的有效因素，理解多肽结构和生物活性对自组装单层膜结构和性质的依赖关系。本项目的实施可为探索蛋白质（肽）微阵列制备技术提供有价值的理论参考。

蛋白质微阵列在临床检验医学、遗传学、肿瘤学、蛋白质功能研究与测定等方面有广阔的应用前景；质谱中软着陆（SL）是完整吸附蛋白质和生物分子的有效手段，因此成为蛋白质芯片制备的前沿技术。实现蛋白质微阵列的可控制备需对蛋白质捕获过程、蛋白质与底基相互作用机制、影响捕获效率的因素和蛋白质生物活性保持等问题有充分的理解和掌握。本课题通过化学动力学模拟的方式，从原子水平探索上述关键科学问题。主要研究内容包括构建体系全维势能函数，正确描述体系长程相互作用是保证模拟结果正确性的关键，是本项目的重点和难点。体系建模也是课题的主要研究内容，包括自行编写和调试程序搭建SAMs结构模型，生成模拟输入文件、数据分析等。项目通过改变多肽的尺寸和初始碰撞能等研究多肽的捕获过程、捕获过程中的能量转移、多肽构象变化等重要问题。研究结果发现三种机理：溅射、暂时性吸附和捕获机制。与软着陆有关的是捕获机制，初始碰撞能是影响该机理效率的主要因素，该机制主要发生在低能区域5 ~ 22.5 eV，且随着碰撞能的增加效率降低。捕获后多肽的构象变化是检验蛋白质是否保持生物活性的重要依据。通过监测多肽构象随时间的演化曲线发现，多肽被捕获后其初始的折叠结构被打开，逐渐倾向延展结构，增大多肽与表面的相互作用力。更详细的研究发现多肽仅可陷入SAM的第一或二层，且并非所有重原子发生渗透。可见多肽与F-SAM间有较强斥力，表面体现较大刚性，从而很好解释了实验上称F-SAM为“Hard wall”的原因。对能量转移效率随着多肽尺寸和表面性质的变化研究发现，能量转移效率不受多肽质量甚至种类的影响，表面性质是影响转移效率的关键因素。通过课题的研究我们得出的重要结论，为实现蛋白质微阵列的可控制备提供重要微观原理、理论依据和指导：调控初始碰撞能是影响软着陆效率的重要因素；基底性质是决定软着陆效率的关键条件；蛋白质固定后其构象会发生变化，尺寸较小的蛋白质更有利于构型保持。