基因转染过程若干问题的理论和模拟研究

Gene delivery is the first step of gene therapy。How to design the safe and high-efficiency vectors is one of the key issues of nanoscale biomedicine. After the gene vectors enter the biocell, they will be transported to the crayon. There exists a close relationship of transport dynamics and efficiency with the physical parameters of gene-vector complexes, the cooperative behavior of molecular motors on microtubules. The present program will employ the multi-scale computer simulations, density functional theory, and statistical thermodynamics to study the dendrimer-gene complexes (dendriplexes), and their interacting with biomolecule motors. Some topics in the following will be focused on. The first one is how to adjust the stability of dendriplex, the electrostatic screening will be considered. The second one is recovering the relationship between physical factors of dendriplexes and the transport efficiency with the aim of providing theoretical support for designing new dendriplexes with the optimum sizes and shapes. The last one is to study the traffic jamming in the motor transport for understanding its physical mechanism, exploring the regulation methods in biosystem, and assisting the bionic design in nanoscale.

基因转染是实现基因治疗的前提；寻找安全高效的载体把基因物质输运到靶定细胞是当前生物医学亟待解决的关键科学问题。基因载体进入细胞内会通过细胞骨架系统输运到细胞核周围。输运动力学及效率与基因-载体复合结构自身物理特征、生物分子马达间的协同合作行为密切相关。本项目以树枝形高分子与基因物质形成的复合体、分子马达为主要研究对象；采用多尺度模拟、密度泛函理论和统计动力学相结合的方法研究树枝形分子-基因复合体解离调控机制、复合体自身物理特征及其对生物分子马达间合作行为的影响；研究几种马达协作机制下复合体自身特征与输运效率间的定性和定量关系，为设计具有优化大小、形状等物理特征的高输运效率的复合体提供理论指导；研究马达输运过程中的交通堵塞问题，阐明交通堵塞的物理机制，探索生物系统中调控交通拥挤的方式和手段，辅助纳米尺度下的生物仿生系统的设计。

寻找安全高效的载体把基因物质输运到靶定细胞是当前生物医学亟待解决的关键科学问题。要解决这个问题,需要理解转染过程中涉及到的很多基本物理问题.本项目我们以树枝形分子和分子马达为主要研究对象,研究了表面修饰对树枝形分子载体结构和动力学的影响,分子和微丝蛋白之间的相互作用, 树枝形分子-基因复合体解离机理,分子马达和微丝混合系统结构、动力学和群体合作行为等。发现末端修饰会有效改变复合体形状，树枝形分子的存在会诱导微丝聚合体解聚，马达分子在障碍物周围聚集并诱导链嫁接的盘自发产生定向运动。此外我们发现盐离子特别是高价离子会削弱聚合强度，引起复合体解离。研究进一步加深了对药物输运过程涉及的基本物理问题的理解。受项目资助，共发表9篇SCI论文，1 篇softmatter，2篇JCP, 培养博士生1名，硕士生4名。