半柔性打结大分子穿过纳米孔道过程的计算机模拟

Biomacromolecule translocation in biological membrane is an important process in biological system. Therefore, it is necessary to understand the conformation and dynamic behaviors of biomacromolecule in the process of its translocation through nanopore. A large number of knots in protein and DNA are found. Only the translocation processes of knotted flexible macromolecules were studied, while the translocation process of knotted semiflexible macromolecules is different from that of knotted flexible macromolecules. Therefore, the project tries to simulate the process of knotted semiflexible macromolecule translocation through nanopore by computer. It focuses on the influence of knotted macromolecule's rigidity, knot types, external force, chaperone concentration of cis side and trans side, the size and shape of nanopore on shape of knot, knot size, the position of knot in the macromolecule, the conformation and dynamic behaviours of knotted semiflexible macromolecule in the translocation process. The process of flow-induced knotted semiflexible macromolecule translocation through nanopore is also studied. The effect of different factors on sliding knot off is discussed in detail. It is helpful to control sliding knot off in the translocation process. In addition, the electrostatic interaction is introduced to knotted semiflexible macromolecule model to simulate charged biomacromolecule. The process of its translocation through nanopore is simulated. These studies can provide some insights into the conformation and dynamic behavior of knotted semiflexible macromolecule in the translocation process. It is helpful for us to recognize biological systems

生物大分子在生物膜中的输运是生物大分子进入各种细胞器官的重要过程，因此对生物大分子穿孔过程中的构象及动力学行为进行研究具有重要意义。蛋白质和DNA中发现大量的打结结构，当前只有关于柔性打结大分子穿孔过程的研究报道，而半柔性打结大分子的穿孔行为不同于柔性打结大分子。因此本项目拟采用计算机模拟半柔性打结大分子的穿孔过程。主要研究大分子的刚柔性、扭结的类型、外力、cis空间和trans空间分子伴侣浓度、纳米孔道的尺寸和形状对纽结形状、纽结尺寸、纽结在大分子上的位置、纽结的打开、大分子的构象及动力学行为的影响，同时我们也将考虑流场对半柔性打结大分子穿孔的影响。分析各种因素对纽结打开的影响，从而为调控纽结打开提供有益的帮助。此外我们还引入静电相互作用来模拟带电生物分子，从而研究带电打结生物大分子的穿孔过程。通过这些研究，能对打结生物大分子穿孔过程中的构象及动力学行为等方面有所认识。

生物大分子在生物膜中的输运是生物大分子进入各种细胞器官的重要过程，因此对生物大分子穿孔过程中的构象及动力学行为进行研究具有重要意义。蛋白质和DNA中发现大量的打结结构，当前只有关于柔性打结大分子穿孔过程的研究报道，而半柔性打结大分子的穿孔行为不同于柔性打结大分子。因此本项目拟采用计算机模拟半柔性打结大分子的穿孔过程。在研究高分子穿孔前，首先采用蒙特卡洛方法模拟受限于圆柱体内的反离子和半刚性聚电解质相互作用过程，在反离子的诱导下半刚性聚电解质构象转变，当静电作用强度适中时，刚性适中的聚电解质可以折叠成完美的螺旋结构；采用分子动力学研究三种小分子抑制剂X64、X3A和4AU对CDK2和CDK6的相结合选择性，研究结果表明X64、X34和4AU与蛋白结合焓和作用熵是驱动抑制剂选择性的关键因素；采用蒙特卡洛方法模拟半刚性高分子与囊泡的相互作用过程，可以通过改变高分子的刚性来调节囊泡的结构，我们可以观察到囊泡折叠成双囊泡、雪茄状结构、网球拍状结构、球状结构；采用分子动力学方法模拟反离子和环型聚电解质相互作用过程，通过改变聚电解质的刚性和反离子与聚电解质之间的静电作用，聚电解质可以折叠成环状、棒状、螺绕环和球状；之后我们采用分子动力学研究线性高分子穿越环型高分子和打结环型高分子的过程，环型高分子对线型高分子的穿越它们的影响有别于打结环型高分子，随着打结环型高分子刚性增强，穿越打结高分子的线型高分子的数目先增大然后轻微减小，并且纽结越复杂，穿越的线型高分子数目越小；最后我们采用分子动力学方法模拟了三叶草纽结高分子在流场的驱动下穿过纳米孔道的过程，在三叶草纽结高分子穿孔过程中纽结首先先后滑移之后打开，高分子穿越纳米孔道。通过这些研究，能对打结生物大分子穿孔过程中的构象及动力学行为等方面有所认识。