微納電化學(xué)葡萄糖生物傳感器的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的高效高特異性的生物催化有機(jī)體，并在生命活動(dòng)中起著不可替代的重要作用。酶生物傳感器運(yùn)用酶作為分子識(shí)別要素，有著高選擇性、高靈敏度和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、微電子技術(shù)和其他相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展，酶生物傳感器的研究已成為生物化學(xué)傳感器中的熱點(diǎn)。酶葡萄糖生物傳感器已被廣泛研究并造福于全世界數(shù)以百萬計(jì)的糖尿病人。
　　在過去的幾十年，許多研究致力于提高酶傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性。隨著近幾年納米科技的發(fā)展，科

2、學(xué)家們已嘗試運(yùn)用具有高比表面積、優(yōu)越電特性等性質(zhì)的多種多樣的納米材料構(gòu)建或修飾傳感器電極來提高酶生物傳感器的性能。盡管如此，引入的納米材料可能會(huì)對酶的活性甚至傳感器的性能造成影響。面對電極界面酶的固定化和酶活性的保持這兩大限制酶生物傳感器高性能的難題，不同特性的納米材料與酶相互作用及影響酶活性的機(jī)理在分子層面尚不清楚。
　　分子動(dòng)力學(xué)仿真模擬已被成功應(yīng)用于生物物理學(xué)、生物化學(xué)、物理化學(xué)等領(lǐng)域。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，對所研究的分子進(jìn)行

3、建模并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真計(jì)算，可以了解分子在原子分辨率上相互作用的機(jī)理。針對上述酶生物傳感器中所存在的問題，本文通過分子動(dòng)力學(xué)仿真的方法，模擬了不同電性、不同表面形貌的納米材料與葡萄糖氧化酶及其輔因子在分子層面上的相互作用，研究了修飾傳感器電極的納米材料與酶之間的作用機(jī)理，并為設(shè)計(jì)更高性能的電化學(xué)生物傳感器提供重要的理論指導(dǎo)。主要研究內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:
　　(1)不同形貌納米材料與葡萄糖氧化酶相互作用的分子動(dòng)力學(xué)研究。在葡萄糖生

4、物傳感器中，不同形貌的納米材料會(huì)對葡萄糖氧化酶的構(gòu)象產(chǎn)生不同的影響，繼而影響葡萄糖氧化酶的活性與傳感器的性能。針對酶的固定化問題，本文通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了不同形貌的納米氧化鋅材料對葡萄糖氧化酶在界面上的作用。而為了仿真金屬電極工作狀態(tài)，本文又對帶電金平面結(jié)構(gòu)和納米孔洞對葡萄糖氧化酶的構(gòu)象變化做了仿真研究。本文建立了兩種初始構(gòu)象的葡萄糖氧化酶仿真模型，直徑10nm孔洞結(jié)構(gòu)和兩種不同電性表面的平面氧化鋅仿真模型，直徑10nm孔洞結(jié)構(gòu)和一

5、種電性平面結(jié)構(gòu)的金仿真模型。不同形貌氧化鋅和金納米結(jié)構(gòu)與不同初始構(gòu)象的葡萄糖氧化酶組成10種仿真體系，并將它們?nèi)芙庠谟须x子參與的水盒子中完成1 ns的分子動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)。分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同納米結(jié)構(gòu)的氧化鋅和金基底會(huì)給葡萄糖氧化酶帶來不同的構(gòu)象變化。平面結(jié)構(gòu)的氧化鋅和金基底都對葡萄糖氧化酶的構(gòu)象造成了巨大的影響，甚至使得葡萄糖氧化酶失去其二級結(jié)構(gòu)。與之相反的是，在氧化鋅和金納米孔洞內(nèi)，葡萄糖氧化酶的構(gòu)象幾乎未發(fā)生變化，并基本與初始狀態(tài)

6、保持一致。對于酶的固定化和電極的使用而言，采用納米孔洞結(jié)構(gòu)構(gòu)建傳感器，是使酶穩(wěn)定并保持其活性的最好策略。本文的分子動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，與之前來自文獻(xiàn)報(bào)道中基于氧化鋅和金納米孔洞結(jié)構(gòu)的生物傳感器靈敏度高于基于氧化鋅和金平面結(jié)構(gòu)的生物傳感器靈敏度的研究結(jié)果較好吻合。從而通過分子動(dòng)力學(xué)仿真模擬，在分子尺度上更好的理解生物傳感器中酶活性、傳感器靈敏度、酶的構(gòu)象和電極納米結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。
　　(2)不同電性單壁碳納米管與FAD相互作用的分子動(dòng)力

7、學(xué)模擬研究。在研究直接電子傳遞的葡萄糖生物傳感器時(shí)，將葡萄糖氧化酶的脫輔酶與修飾在單壁碳納米管上的葡萄糖氧化酶的輔因子黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)重組，能有效的提高葡萄糖傳感器檢測葡萄糖時(shí)氧化還原反應(yīng)的電子傳遞效率，實(shí)現(xiàn)電極與酶活性中心之間的直接電子傳遞。但在具體實(shí)驗(yàn)過程中碳納米管會(huì)在處理過程中被修飾不同的基團(tuán)而帶不同電性，并且會(huì)對修飾在其上的FAD的構(gòu)象造成不同的影響。本研究的目的是運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬仿真在分子層面分析不同電性單壁碳納

8、米管對FAD構(gòu)象的影響，尋求適合FAD與脫輔酶重組的單壁碳納米管的最佳方案。本研究分別對FAD和三種不同電性單壁碳納米管建立仿真模型，再將每個(gè)單壁碳納米管和一個(gè)FAD共價(jià)連接并溶解在有離子參與的水盒子中完成18 ns的分子動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)和操控式分子動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)。分析仿真軌跡和能量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，帶不同電性的單壁碳納米管對共價(jià)修飾在其上的FAD的構(gòu)象和取向有不同的影響。電中性單壁碳納米管由于共軛效應(yīng)使得FAD在仿真結(jié)束時(shí)成倒置字母“U”型吸附

9、于單壁碳納米管上。帶正電單壁碳納米管由于磷酸基團(tuán)和單壁碳納米管強(qiáng)烈的靜電吸引作用，使得FAD在仿真結(jié)束時(shí)吸附于單壁碳納米管上。而帶負(fù)電單壁碳納米管系統(tǒng)中FAD構(gòu)象和取向變化程度遠(yuǎn)小于另外兩個(gè)系統(tǒng)，F(xiàn)AD在仿真結(jié)束時(shí)相對舒展并提供了足夠的有效空間能夠使FAD與脫輔酶進(jìn)行重組。所以在電化學(xué)生物傳感器實(shí)驗(yàn)中，選擇帶負(fù)電的單壁碳納米管可以使FAD構(gòu)象保持穩(wěn)定，繼而提高傳感器性能。本研究對更好的理解類似于FAD的輔因子和不同電性納米材料之間的相互

10、作用有重大意義，并對葡萄糖傳感器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)，進(jìn)而對未來新型生物傳感器的的研究設(shè)計(jì)提供有效的理論支持。
　　(3)為了更好的設(shè)計(jì)高性能的納米生物傳感器，本文指出應(yīng)該首要考慮構(gòu)建使酶穩(wěn)定并能保持其活性的具有生物相容性的納米結(jié)構(gòu)。本研究提供了一種在分子層面研究蛋白質(zhì)與界面相互作用的方法，運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)仿真模擬提供保證酶活性的理論指導(dǎo)，根據(jù)理論指導(dǎo)充分利用納米材料的優(yōu)異性質(zhì)在生物傳感器電極上設(shè)計(jì)構(gòu)建可調(diào)控的能使酶保持活性的納米