金属型纳米颗粒与蛋白质体系相互作用微观机制的模拟研究

Biosystem is a complex open system exchanging substance with the environment. For example, Metal-based nanoparticles (MNPs) enter almost all compartments of the body by respiratory system or skin penetration with associated bioeffects and influences on the configuration of proteins. To understand the interactions between MNPs and proteins is significant for safe implementation of nanotechnologies in various fields such as drug delivery, disease diagnoses and gene therapy. . The current research proposal carried out Mutil-Replica Exchange Molecular Dynamics simulations aspires to provide the micro-mechanism of interaction between proteins and MNPs. The anticipated results achieved by computer simulations and theoretical studies are specified as follows: (1) To establish the molecular model and theoretical approach concerning the improved expression of interacted potential between MNPs and proteins, optimized algorithm, and effective parameters to obtain the structural information. (2) To conclude the intrinsic relationship between the equilibrium configuration of the target protein with different secondary structure, such as α helix or β sheet, and the properties of MNPs, such as relative size, shape and the charge distribution. (3) To illuminate the physical mechanism of structural reorganization of proteins with the effect of MNPs, especially its dynamically combined and dissociated process with MNPs.

生物体系是一个复杂耦合的开放体系与环境进行物质交换，其中包括金属型纳米颗粒进入生命体形成特殊的生物效应，同时亦对蛋白质的结构和功能造成影响。深入理解金属型纳米颗粒与蛋白质与的作用机理，对于认识生命现象、控制生物过程乃至发明新型药物和诊疗方法，都有着重要的意义。. 本项目拟采用多重副本交换分子动力学模拟研究金属型纳米颗粒和蛋白质相互作用的微观机制。研究目标包括：(1)建立一套较完整的研究金属型纳米颗粒与蛋白质相互作用的理论方法和模型。包括确立有效描述血液环境中金属型纳米颗粒和蛋白质体系相互作用的势能函数表达式，优化算法，提供有效的结构分析手段等。(2)总结蛋白质的二级结构（α螺旋、β折叠等）稳定性与金属型纳米颗粒的性质（相对大小、形状，表面极性及电荷种类）之间的内在联系。(3)揭示蛋白质分子与金属型纳米颗粒的结合和解离的动力学过程，阐明蛋白质在纳米颗粒作用下结构重组的物理图像。

生物体系是一个复杂耦合的开放体系，与外部环境进行着广泛的能量和物质交换。研究电场、溶液环境，以及金属型纳米颗粒与蛋白质相互作用的微观机制，对深入理解蛋白质的结构、功能以及在生命体中形成的特殊生物效应，都有着重要的意义。本项目从蛋白质的一级结构出发，采用基于粗粒化和全原子相结合的分子动力学模拟，研究其不同的结构层次之间的关系，以及在电场、盐溶液和金属型纳米颗粒作用下的结构稳定性和动力学行为。研究结果包括：.(1)建立了一套较完整的研究外部环境与蛋白质相互作用的理论方法和模型。包括确立有效描述键能和非键相互作用（亲疏水、电荷作用、吸附强度等）的函数表达式；研究了电场环境、溶液环境以及纳米颗粒参与下的蛋白质体系的动力学行为；提供有效的结构分析手段呈现蛋白质的结构特征和转变过程。.(2)总结了蛋白质不同结构层次之间的内在联系，通过研究不同的氨基酸组分和分布，二级结构的比例等给出最终影响蛋白质结构稳定性的因素。改进神经网络模型，选择有效的激活函数对蛋白质的折叠速率进行了预测。.(3)揭示蛋白质分子在不同（电场强度、频率、脉冲/振荡）电场下的结构转变过程，在不同（尺寸、亲疏水、电荷分布和大小、吸附强度）纳米颗粒作用下的结合和解离的动力学过程，阐明蛋白质在外部环境作用下结构重组的物理图像。. 通过本项目的研究，为深入理解生命现象、控制生物过程乃至发明新型药物和诊疗方法提供理论依据和技术支持。