类石墨烯材料的短程序和孔结构对蛋白质结构调控的理论模拟研究

With the integration of nanoscience with biology and medicine research, nanomaterials, represented by graphene, have achieved great success in the application fields of nanomedicine and biological nanoprobe. However, due to the bio-toxicity of graphene, its negative effects need to be seriously treated along with biological application study. This proposal focuses on the central issue of nanomaterial functionalization and will study a series of graphene-like materials reported in recent years. Through the development of quantitative biophysical analysis methods, the applicant will theoretically explore the interaction process of these nanomaterials with biological systems, to summarize effects of nano-morphology (including the rich dipole moment, atomic charges, porous structure) on protein recognition and binding process to nanostructure surface. The goal is to induce precise self-assembly of protein molecules on the nanostructures and guide the folding of non-structural antibody polypeptide on the nanosurface into the native structure to achieve artificial antibody activity. From the theoretical point of view, through analyzing the coupling characteristics and the thermodynamic essence of the nano-life system, the general physical laws of nano-life processes will be summarized. The theoretical simulation platform will be shared with the experimental and theoretical research groups to accelerate the development of related disciplines in our country. This project will provide new approach and theoretical support for the development biosafe nanomaterials and preparation of nano-pharmaceutical products.

随着纳米科学与生物、医学的交叉融合，以石墨烯为代表的纳米材料在纳米药物、纳米生物探针等应用领域取得了巨大成功。但是，由于石墨烯本身具有生物毒性，在生物应用的同时需要考虑其负面效应。本项目围绕纳米材料功能化这一中心命题，聚焦近几年报道的一系列类石墨烯材料，通过发展定量生物物理分析方法，理论探索不同结构的纳米形貌与生物体系的相互作用过程，总结纳米表面富有的偶极矩、静电荷、孔结构等因素对蛋白质识别和结合过程的影响，尝试在纳米结构上诱导蛋白质分子的精确自组装，和诱导没有结构的抗体多肽在纳米表面折叠成本征生物结构，从而实现纳米人工抗体的活性。在理论发展上，通过阐述纳米与生物体系的耦合特征和热力学本质，总结纳米对生物过程影响的一般性物理规律。发展的理论模拟平台将提供给国内实验和理论研究组，为相关学科的发展作贡献，为最终解决纳米生物安全性问题和推动纳米医药产品研发提供新的思路和理论支撑。

以石墨烯为代表的纳米材料在生物医学等应用领域取得了巨大成功，但是由于石墨烯本身具有生物毒性，在生物应用的同时需要考虑其负面效应。而纳米表面具有丰富的偶极矩、静电荷、孔结构等因素，是调控纳米生物效应、降低毒性、实现特定纳米功能的重要手段。因此，系统研究这些结构因素对蛋白质等生物大分子的吸附规律，探讨其对生物分子本征结构影响的分子机制，是深入理解纳米材料生物效应，发展功能纳米材料的重要基础。本项目基于分子动力学方法，开展纳米-生物系统相互作用的理论模拟，研究了包括石墨烯、氮化石墨烯、硼化石墨烯、缺陷石墨烯、磷烯、α-磷碳烯等多种纳米材料对生物分子，包括蛋白质、DNA、细胞膜等的吸附规律和结构影响。通过大量的数据分析，在原子分子水平上阐明了这些不同类型的纳米材料表面上生物分子吸附和运动规律，不同纳米结构影响生物分子结构的物理机制。基于理论模拟的结果，设计了基于两种材料的层间和层内纳米异质结，实现了基于材料各向异性导致的生物分子可控吸附和定向迁移，为基于二维材料的固态纳米孔测序和检测器件提供了一种新的理论方案。设计了漏斗状二维纳米异质结构，实现了通过切换电场调控多肽自组装状态，对生物传感和测序纳米器件的设计具有重要指导意义。同时，报道了由于磷烯和α-磷碳烯材料的表面各向异性导致的蛋白质和DNA的定向迁移，理论预测了该类型材料在药物定向输送中的潜在应用价值。在本项目资助下，课题组共计发表SCI收录论文24篇，授权国家发明专利１项，培养研究生8名均已参加工作或继续攻读博士学位。团队成员参加国际国内相关学术会议5次，作邀请或口头报告，邀请国内外相关领域专家学者访问5人次。本项目的主要结果，对于设计功能纳米材料，功能抗菌材料提供了理论基础，也为纳米材料在生物医学领域的应用提供了重要的科学依据和研究思路。