基于GPU加速的多尺度计算模拟探究碳纳米材料生物毒理信息学

The toxicity of carbon nanomaterials has attracted much attention due to its promising applications in biosensors, drug delivery etc. Due to the diversity of size, functionalized groups, and topology of carbon nanomaterials, the comprehensive understanding and evaluation of the toxicity of carbon nanomaterials is necessary but unclear. In this project, the understanding of penetration of carbon nanomaterials into lipid membrane could be improved by multi-scale modelling based on GPU. Firstly, the interaction parameters between carbon nanomaterials and lipid membrane is optimized by all atomic model. The effect of size and concentration of carbon nanomaterials to its penetration into membrane will be investigated. Secondly, the coarse-grained model of carbon nanomaterials will be constructed based on the all-atomic model. Thirdly, the all atomic model could be constructd by introduction of GPU into GROMACS software. The translocation of carbon nanomaterials through lipid membrane will be investigate by GPU. At last, the effect of functionlized groups of carbon nanomaterials on the interaciton of carbon nanomaterials and lipid membrane will also be invstigated. The multi-scale modelling could greatly enhance our understanding on the toxicity of carbon nanomaterials to biology.

碳纳米材料的生物毒理机制因其在生物传感器，药物运输以及细胞成像等方面的巨大应用潜力而备受关注。但是，由于碳纳米材料的尺寸，功能化基团和拓扑结构的多样性以及生物体内环境的复杂性，我们一直缺乏对其生物毒理综合，系统的评价，这要求我们利用除实验以外的其他方法去研究。本项目应用GPU加速的多尺度模拟方法，致力于理解碳纳米材料与细胞膜的作用方式及渗入细胞膜的方式。首先，通过全原子模拟，优化碳纳米材料与细胞膜磷脂的作用参数，并在此模型下考察碳纳米材料的浓度及尺寸对细胞膜扰动或细胞膜转运的影响；其次，以上述模型为基础，构建碳纳米材料与细胞膜作用的粗粒度模型；再次，引入GPU加速技术，构建碳纳米材料与细胞膜的全原子模型，从更大的空间尺度和时间尺度考察碳纳米材料在细胞膜中转运的方式。最后，考察碳纳米材料功能化以后的衍生物与细胞膜作用的方式。多尺度计算模拟将极大的提高我们对于碳纳米材料的生物毒理机制的认识。

碳纳米材料的生物毒理机制因其在生物传感器，药物运输以及细胞成像等方面的巨大应用潜力而备受关注。但是，由于碳纳米材料的尺寸，功能化基团和拓扑结构的多样性以及生物体内环境的复杂性，我们一直缺乏对其生物毒理综合的系统的评价，这要求我们利用除实验以外的其他方法进行研究。本项目应用GPU加速的多尺度模拟方法，在一定程度上探究了碳纳米材料与细胞膜的作用方式及渗入细胞膜的方式。首先，利用Gromacs分子模拟软件，通过全原子模拟，优化了细胞膜双磷脂结构的力场参数，考察了电场对细胞膜结构稳定性的影响。 其次，构建碳纳米材料与细胞膜的全原子模型，引入GPU加速技术，利用GPU加速的Gromacs软件，优化了碳纳米材料与细胞膜双磷脂结构的作用参数，并在此模型下考察了碳纳米材料（石墨烯量子点、富勒烯和碳纳米管）的浓度及尺寸对细胞膜扰动或细胞膜转运的影响。最后，考察了碳纳米材料衍生物和其他二维功能材料对细胞膜及DNA等的生物毒理性。多尺度计算模拟将极大的提高我们对于二维纳米材料的生物毒理机制的认识。