基于低維碳納米材料的非共價修飾分子設(shè)計.pdf

1、生物分子與固體材料之間的相互作用是納米技術(shù)、生物材料和生物技術(shù)中的基本問題。深刻地理解兩者間的相互作用是如何影響生物分子的構(gòu)象變化和取向，有助于人們更好地探究生命的起源，設(shè)計出合適的生物功能材料，用于疾病的預(yù)防和治療。碳(C)作為一種重要的生命元素，它所形成的低維納米材料如:零維的富勒烯，一維的碳納米管，二維的石墨烯等與其他的無機納米材料相比具有更好的生物兼容性，可以利用表面包覆或吸附生物活性分子（如藥物、蛋白質(zhì)、核酸等）等方法作為有效

2、的藥物載體應(yīng)用于醫(yī)藥和治療等方面。但是由于碳材料的表面具有強疏水性，在細胞中易于聚集，對細胞具有一定的毒性，因此不能直接用作藥物載體。解決這一問題的主要途徑是通過碳納米材料的表面共價或者非共價修飾來提高其在機體內(nèi)的分散性。其中，非共價修飾可以更好的保持碳原子的雜化狀態(tài)和材料自身的化學(xué)結(jié)構(gòu)、電學(xué)性質(zhì)以及力學(xué)性能，近年來發(fā)展迅速。尤其是蛋白質(zhì)或者DNA等生物分子在碳納米材料表面的吸附已逐漸成為碳納米材料用作藥物載體的基礎(chǔ)。目前在計算機模擬和

3、實驗兩方面都可以觀測到生物分子自發(fā)吸附在碳材料表面的現(xiàn)象。為研究這類過程在分子尺度上發(fā)生的微觀細節(jié)以及多種影響因素的綜合效應(yīng)，計算機模擬已經(jīng)顯示出了巨大的優(yōu)勢，成為了除實驗手段之外有力的研究工具。
　　本論文主要利用分子動力學(xué)（MolecularDynamics，MD）模擬方法研究了具有不同結(jié)構(gòu)的多肽分子和蛋白質(zhì)在一系列碳納米管、石墨烯表面的吸附動力學(xué)行為，揭示了多肽/蛋白質(zhì)分子與低維碳材料界面的相互作用機理，并以此為基礎(chǔ)進行了分

4、子設(shè)計。本論文的研究為低維碳納米材料的非共價修飾提供了修飾分子模型，闡釋了修飾分子在材料表面的作用機理，為蛋白質(zhì)的純化分離、藥物分子設(shè)計、生物材料的開發(fā)提供理論支持。主要研究成果如下:
　　1、選取了富含α-螺旋的胰島素和β-折疊的WW結(jié)構(gòu)域作為研究對象，研究了二者在碳納米管表面的吸附行為和吸附差異。篩選出關(guān)鍵作用殘基，并基于多肽分子與碳納米管之間的關(guān)鍵吸附因素，設(shè)計出兩類富含長鏈烷烴基團和富含芳香環(huán)殘基的高效吸附多肽分子。

5、>　　2、設(shè)計了20種由單一氨基酸組成的多肽分子，研究了這些小肽分子在石墨烯表面的吸附行為，并對吸附狀態(tài)、吸附作用力、吸附基團取向和吸附強度等進行了比較和分類研究。發(fā)現(xiàn)在氨基酸的四種類型中，酸性氨基酸不利于生物分子在石墨烯表面的吸附，而堿性、非極性和極性氨基酸成為易吸附的殘基，同時多肽分子的吸附狀態(tài)受到其自身結(jié)構(gòu)的影響較大。
　　3、探討了胰島素和WW結(jié)構(gòu)域在石墨烯表面的相互作用機理，比較了它們在石墨烯和碳納米管表面的吸附差異，研