蛋白质-纳米材料体系中的吸附和电子转移

The interaction between protein and nanomaterials will be studied by molecular dynamics simulations and the quantum mechanics computations. The pi-pi stacking interaction, hydrophobic and hydrophilic interaction, electrostatic interaction, van der Waals interaction, spatial confinement and hydrogen-bonding between protein and nanomaterials will be considered to find the controlling way of adsorption conformation. Based on the adsorption conformation, the electronic coupling matrix element, the reorganization free energy and the reaction free energy will be calculated to get the electron transfer rate constant between protein and nanomaterials by a mixed quantum mechanical and molecular mechanical approach (QM+MM). Further, the influence of nanomaterials on the structure and the corresponding function of protein will be characterized in terms of the environmental conditions and the characterization of nanomaterials. Based on the study of the adsorption and electron transfer reaction between protein and nanomaterials, we aim to provide some demonstrations to reveal the mechanism of cytotoxic effects for nanomaterials.

纳米材料生物毒性的机理，事关我们的健康和安全。与之密切相关的，是蛋白质和纳米材料之间的物理吸附和电子转移问题。本课题利用分子动力学模拟，研究蛋白质大分子与不同特性的纳米材料，在不同环境中的吸附，考察吸附过程中的pi-pi堆叠作用、疏水亲水作用、静电作用、范德华作用、空间限制和氢键等，找到吸附构象的变化规律和控制条件，特别是因吸附而导致的蛋白质结构和功能的变化规律和控制条件。再结合分子动力学模拟和量子力学，计算不同吸附构象下，蛋白质和纳米材料之间电子转移反应的动力学特性参数，包括电子转移耦合矩阵元、重组自由能和电子转移反应自由能，揭示影响蛋白质电子转移功能的规律。在此基础上，建立蛋白质-纳米材料间吸附和电子转移反应的物理图像，阐释纳米材料特性、环境特性对蛋白质结构和功能的影响规律，为揭示纳米材料的生物毒性机理提供思路和理论指导，并探寻减小纳米材料对蛋白质结构和功能干扰的可能途径。

纳米材料生物毒性的机理与蛋白质和纳米材料之间的物理吸附和电子转移问题密切相关。本项目利用理论推导，量子化学计算和分子动力学模拟，围绕蛋白质大分子与纳米材料之间的物理吸附和电子转移反应开展研究。首先发展了一套综合各种技术手段进行多尺度模拟的方法。在此方法上，研究发现，石墨烯和碳纳米管与细胞色素C的吸附中，对蛋白质二级结构影响较小。但是氧化石墨烯与细胞色素C相互作用较强，对蛋白质的二级结构破坏较大。同时，确定了起关键作用的氨基酸残基，确定了纳米材料特性与吸附的关系。然后，基于不同的吸附构象，计算了蛋白质大分子与纳米材料间电子转移反应的电子转移耦合矩阵元、重组自由能和电子转移反应自由能，归纳了影响蛋白质电子转移功能的规律。在此基础上，揭示了部分纳米材料生物毒性的机理。