仿生石墨烯纳米孔道中基因传递的多尺度模拟研究

Due to controllable size, capability of hydrophilic modification, superior mechanical properties and high stability to complex environments, graphene nanopore became advanced research topic in the field of ion, gene and drug delivery in biomimetic membrane in recent years. In this project, by application of quantum mechanics calculation, molecular dynamics simulation, steered molecular dynamics simulation and implicit solvent molecular dynamics simulation, we will focus on (1) the molecular mechanism of the interaction between chitosan and DNA as well as the assembling of chitosan-DNA nanoparticles; (2) the structure, stability, thermodynamics and translation dynamics of chitosan-DNA delivery system in biomimetic graphene nanopore under the condition of external electric field, force and pressure difference. Through the study of this complex system at different length and time scale, the understanding of chitosan-DNA delivery system in biomimetic nanopore and cell membrane could be improved. This could help the rational design and synthesis of chitosan with specific ligand and increase the stability of chitosan-DNA delivery system during the translation through cell membrane, and thus increase the transfection efficiency of chitosan-DNA delivery system and promote the research and application of gene delivery materials.

固体石墨烯纳米孔道因具有孔径大小可控、孔道可亲水修饰、优良的力学性能、复杂环境下的高稳定性等优异特性，近年来成为了仿生细胞膜中离子、基因、药物等传递的新的研究热点。在本项目中，申请人拟通过多尺度模拟，利用如量子力学计算、分子动力学模拟、拉伸分子动力学模拟、隐式溶剂分子动力学模拟等方法，主要研究（1）壳聚糖与DNA分子相互作用的分子机理、复合物纳米颗粒组装动力学；（2）在不同外加条件下（如电场、拉力、压力差等）壳聚糖–DNA复合体系在仿生石墨烯纳米孔道中传递的结构、稳定性、热力学和传递动力学性质等。在不同空间及时间尺度上对此类体系的研究，将帮助研究者理解壳聚糖基因传递系统在仿生纳米孔和细胞膜通道中传递的分子机理，合理地设计与合成接枝特异性配基的壳聚糖，增长壳聚糖–DNA传递系统跨膜传递过程中的稳定性，增加壳聚糖基因传递系统的转染效率，从而推动基因传递载体材料的研究和应用。

随着纳米材料在在生物材料、药物传递系统、生物医药、基因测序等领域的应用及飞速发展，石墨烯、MoS2及MoSe2等二维纳米材料孔道及碳纳米管、氮化硼纳米管等一维纳米孔道中DNA、药物、离子、水分子等的传递行为，尤其是传递过程中的热力学及动力学性质成为了当前研究的热点和难点。在本项目中，我们利用分子动力学模拟等计算机模拟方法，主要进行了以下三个方面的研究：（1）DNA及药物在壳聚糖等药物载体材料中的负载与释放；（2）DNA及药物在纳米孔道及细胞膜通道中的传递；（3）离子及水分子在石墨烯、MoS2及MoSe2等纳米孔道中的传递。通过以上几方面的研究，我们发现二维及一维纳米通道中的原子类型、电荷布居、孔道直径、化学修饰基团及密度等，以及外加电场、压力等都会对纳米孔道中DNA、药物、离子、水分子等的传递行为产生影响，在具体作用过程中表现为范德化力、静电相互作用、氢键网络、熵效应等各种微观作用力进行主导，或几种作用力协同调节的特点。对以上影响因素的调节，可调控DNA及其它小分子物质在纳米孔道中传递的热力学性质及动力学行为，从而合理地设计特异性修饰的壳聚糖等基因/药物递送系统和仿生纳米孔道，推动基因/药物递送系统的研究和应用。