氧化石墨烯与蛋白质相互作用的分子机制研究

With rapid development of graphene industry and increasing biomedical applications of graphene in recent years, there are increasing concerns on the biological safety of graphene due to its unintended interactions with proteins and other biological molecules. The most commonly used graphene for bio-applications is graphene oxide (GO), not the pristine graphene. Understanding the molecular mechanism of the interaction between GO and proteins would be helpful to better assess the potential toxicity of graphene, but this mechanism is still not well understood so far. In this project, on the basis of all-atom molecular dynamics simulations together with the related biophysical theory, we will provide a deep investigation on the interaction between GO nanosheets and proteins, including the dynamical process of adsorption/binding and the underlying physical mechanism. The research contains two sections: i) Investigation on the adsorption of proteins on a GO surface, including the adsorption kinetics, final secondary and tertiary structures of proteins, and the origin of driving force. ii) Investigation on the interaction of proteins with small-sized GO nanosheets (such as graphene quantum dots). We will explore whether and how a small-sized GO nanosheet spontaneously disrupts the native structure of proteins, interrupts the protein-protein interactions, and wins the competitive binding on proteins over their native ligands (interrupting the regular binding of the ligand with the target protein, resulting in nanotoxicity). This research would be helpful to assess and better understand the potential toxicity of graphene at the molecular level, and provides a molecular basis for the novel design of graphene-based biosensors.

近年来，随着石墨烯工业的发展，尤其是在生物医药方面应用的发展，石墨烯对生物体尤其是对人体的安全性问题，也受到人们越来越多地关注。用于生物医药的石墨烯通常为氧化石墨烯；研究氧化石墨烯与蛋白质相互作用的分子机制，将有助于人们认识石墨烯潜在的生物毒性，但该机制仍不是十分清楚。本项目拟利用分子动力学模拟方法，结合生物物理学理论，深入研究氧化石墨烯与蛋白质相互作用的动力学过程及物理机制。研究内容包括：研究蛋白在氧化石墨烯基底上的粘附过程、粘附形态及驱动力；研究尺度较小的（氧化）石墨烯（如石墨烯量子点）与蛋白质的相互作用，考察石墨烯是否可以破坏蛋白质分子的结构，或是阻断蛋白―蛋白相互作用，或是作为配体与蛋白质分子的活性位点稳固结合（阻碍蛋白结合其天然配体，从而产生毒性）。本项研究有助于人们从分子水平上认识、理解（氧化）石墨烯潜在的生物毒性，也有望为人们设计基于石墨烯的新型生物传感器，提供理论借鉴。

近年来，随着纳米材料的发展，尤其是在生物医药方面应用的发展，纳米颗粒对蛋白质、磷脂等生物分子涉及到生物安全性方面的影响，也受到人们越来越多地关注。比如，石墨烯及其衍生物在生物传感器、抗菌剂、药物载体、基因测序和光热治疗等方面都展现了巨大的潜力，那么进一步研究“石墨烯与多肽、蛋白质、磷脂相互作用的分子机制”，将有助于人们认识石墨烯潜在的生物毒性。本项目运用分子动力学模拟方法，结合生物物理学理论，研究氧化石墨烯与多肽、蛋白质、磷脂相互作用的动力学过程及其背后的物理机制。针对石墨烯表面，我们研究了多肽在氧化石墨烯表面上的摩擦过程，以及蛋白质在氧化石墨烯基底上的粘附过程，并考察了石墨烯表面曲率对多肽纤维吸附的影响；针对尺寸较小的石墨烯（如石墨烯量子点），我们主要研究它和蛋白质天然配体的竞争过程，考察其是否可以与蛋白质分子的活性位点稳固结合，阻碍蛋白结合其天然配体，从而产生生物毒性。石墨烯与磷脂的相互作用对于生物安全同样重要，与石墨烯抽取磷脂分子进而破坏细胞膜的结构不同，我们发现C2N这种新型二维材料具有更好的生物相容性。另外，我们还研究了金属离子对于细胞膜流动性的影响，这对细胞功能也非常重要。我们提出了过渡金属铜离子与细胞膜磷脂分子相互作用的新结构，与其它常见二价离子不同的是，铜离子能诱导细胞膜表面磷酸基团的有序排列，进而减小膜的流动性。本项研究有助于人们从分子水平上认识、理解石墨烯和过渡金属离子潜在的生物毒性，也有望为人们设计新型的生物分子传感器，提供理论借鉴。