多肽与无机晶体相互作用的多尺度模拟方法研究

Many biological materials exhibit remarkably high strength and toughness due to the hierarchical structuring of the materials at different length scales. The understanding of how biomolecules like protein control the nucleation, assembling and growth of minerals at the molecular level could greatly help scientist to design the biomimetic materials with excellent properties. In this project, we aim at developing a multiscale modeling and simulation approach to study the interaction between biomolecules and inorganic crystal. We will use the peptide and calcium carbonate as the model system. Firstly, we will study the interaction mechanism between peptide and calcium carbonate by all-atom molecular dynamics (MD) simulation within microsecond. Then, the structure, thermodynamic and dynamic properties of the complex derived from the all-atom level will be used to parameterize the force field in coarse-grained (CG) model. The CG model for the complex could extend the simulation to millisecond level. The equilibrium structure of complex obtained in coarse-grained MD simulation will be back-mapped to all-atom level and used to study the peptide conformation, binding site, solvent effect, hydrogen-bonding networks near surface, etc. The developing of the multiscale modeling and simulation approach in this project will improve the understanding of interaction between peptide and calcium carbonate crystal at various time (from ps to ms) and length scale (from nm to μm).

自然界的生物材料因其多重分级结构而具有极高的强度和韧性。在分子水平上研究蛋白质等生物分子如何控制矿物晶体的成核、组装和生长将帮助研究者设计具有优异性质的仿生材料。本研究将以多肽和无机碳酸钙晶体作为模型，发展生物分子与无机晶体相互作用的多尺度模拟方法。我们首先将利用全原子分子动力学（MD）方法在微秒的时间尺度内，深入研究多肽与碳酸钙的相互作用机理，然后利用在全原子水平上得到的复合体系的结构、热力学和动力学性质，发展多肽–碳酸钙相互作用的粗粒化模型，并将研究的时间尺度扩展至毫秒级别。最后将粗粒化水平上的复合体系平衡构型后向映射回全原子水平，从而能在原子层次上研究晶体表面多肽平衡吸附时的构型、结合位点、溶剂效应及表面氢键网络等重要性质。项目中多尺度模拟方法的建立，将帮助我们在不同空间尺度（nm到μm）及时间尺度（ps到ms）内理解多肽与碳酸钙晶体间的相互作用，为合理的仿生材料设计提供理论指导。

随着纳米材料在生物材料、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，如何在原子及分子层面理解纳米材料与生物分子（如蛋白质、DNA、生物膜）之间的相互作用，从而设计更高效和安全的纳米材料是目前纳米技术研究的重点与难点。通过本报告的研究，我们利用多尺度模拟技术，在多个空间及时间尺度上对碳酸钙、碳纳米管、石墨烯、C60等纳米颗粒与多肽、DNA、磷脂双分子膜等生物分子之间的相互作用进行了深入的研究。我们发现，纳米材料的颗粒大小、表面电荷、化学组成、拓扑结构、化学修饰等性质，和生物分子的结构单元、聚合度、电荷分布、空间构型、亲疏水性、骨架及侧链结构等性质对两者间的相互作用（吸附、组装、包封、传递等）具有重要的影响。在具体作用过程中往往表现出范德化力、静电相互作用、氢键作用、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。通过本报告的研究，提示我们今后研究有机-无机复合体系这类复杂化学体系时，不能仅局限于单一的时间及空间尺度，而需要在这一类复杂体系的多个时间及空间尺度研究其热力学及动力学特征，全面了解影响材料组装、分子吸附、包封及传递的主导因素和各种影响因素，从而在分子层面进行材料设计，促进纳米材料的应用与发展。