纳米孔壁面特性对蛋白质过孔影响的粗粒化分子动力学模拟研究

论文摘要

纳米孔蛋白质检测技术是一种基于分析蛋白质在纳米孔中易位行为来获取蛋白质尺寸、构型、表面电荷分布等信息的技术,在生物大分子研究中极具应用前景,成为继DNA纳米孔测序后又一新的研究热点。纳米孔壁面特性（浸润性、带电等）对蛋白质过孔特性有重要影响,可决定纳米孔分析过程和检测质量,因此亟需开展相关研究。本文基于粗粒化分子动力学方法,对蛋白质的过孔过程进行计算分析,系统研究了纳米孔壁面浸润性和带电情况对蛋白质过孔动力学特性影响的规律与机理,取得了以下研究成果:1.纳米孔壁面浸润性对蛋白质过孔动力学影响规律基于分子动力学模拟电驱动蛋白质过孔过程,研究纳米孔壁面不同浸润性对蛋白质过孔过程的影响规律,借助操控式分子动力学计算分析蛋白质在不同浸润性纳米孔通道中摩擦阻力变化规律。研究发现,纳米孔壁面浸润性对蛋白质输运影响明显,疏水性壁面更利于纳米孔内蛋白质输运过程;当壁面接触角小于90°（亲水壁面）,蛋白质过孔速度受接触角改变影响显著;而当壁面接触角大于90°（疏水壁面）,蛋白质过孔速度受接触角改变影响明显减弱。2.纳米孔壁面浸润性对蛋白质过孔动力学影响机理实现纳米孔-水/纳米孔-蛋白质相互作用精准调控,在此基础上进一步开展壁面浸润性影响机理研究。发现蛋白质黏附纳米孔壁面对其过孔特性影响并不明显,而纳米孔-水相互作用对蛋白质过孔电泳迁移率和摩擦系数影响较为显著。随纳米孔-水相互作用增强（亲水壁面）,纳米孔壁面对其附近水分子运动影响趋于明显,纳米孔壁面与蛋白质附近水分子运动差异显现,蛋白质过孔摩擦阻力显著增大,过孔摩擦系数相应增大,进而对蛋白质过孔电泳迁移率产生直接影响。3.纳米孔壁面带电对蛋白质过孔动力学影响机制对蛋白质分子在电压驱动下穿过带电纳米孔过程进行计算分析,研究了纳米孔壁面带电对蛋白质穿孔的影响规律,并基于纳米孔内离子分布以及操控式分子动力学模拟进一步揭示了纳米孔壁面带电的影响机制。研究发现,纳米孔壁面带电情况的改变可导致不同的电渗效应,从而影响蛋白质进孔行为;进一步提高驱动电压,纳米孔带电条件下蛋白质均发生去折叠现象,对于同电性纳米孔,电驱动力和阻力共同作用下蛋白质在纳米孔外发生去折叠;对于异电性纳米孔,电驱动力、阻力和静电力共同作用下蛋白质在纳米孔内发生去折叠现象。

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ABSTRACT

第一章绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状以及发展动态综述

1.2.1 蛋白质过孔动力学特性

1.2.2 蛋白质过孔控制方法

1.2.3 分子动力学模拟蛋白质纳米孔检测

1.3 本文研究内容

第二章分子动力学模拟基本原理与方法

2.1 分子动力学模拟的基本原理

2.1.1 分子力场

2.1.2 运动方式求解

2.1.3 分子相互作用求解

2.2 分子动力学模拟过程实现

2.2.1 分子动力学模拟前期处理

2.2.2 模拟体系温度控制

2.2.3 模拟体系的压力控制

2.2.4 边界条件

2.3 Martini粗粒化力场

2.3.1 Martini蛋白质粗粒化模型及力场

2.3.2 Martini水粗粒化力场

2.4 操控式动力学模拟

2.4.1 操控式分子动力学模拟原理

2.4.2 作用模式

2.4.3 SMD与蛋白质体系

第三章模拟体系构建与参数设定

3.1 模拟体系构建

3.1.1 模型细节

3.1.2 模拟体系

3.2 力场参数与参数标定

3.2.1 力场参数

3.2.2 纳米孔壁面浸润性参数标定

3.3 本章小结

第四章纳米孔壁面浸润性对蛋白质过孔输运影响

4.1 模拟细节

4.2 电场驱动蛋白质过孔

4.2.1 蛋白质纳米孔中滞留时间与易位速度

4.2.2 蛋白质电泳迁移率

4.2.3 本节小结

4.3 施加外力拉动蛋白质过孔

4.3.1 不同亲疏水性壁面下的过孔拉力

4.3.2 蛋白质输运摩擦系数

4.4 纳米孔壁面浸润性对蛋白质孔中输运的影响分析

4.4.1 有效电荷

4.4.2 相互作用势能

4.5 蛋白质黏附输运

4.5.1 黏附行为对蛋白质输运特性的影响

4.5.2 纳米孔浸润性对蛋白质黏附输运的影响

4.6 不同尺寸纳米孔下纳米孔浸润性影响特性的分析

4.7 粘度模型

4.8 本章小结

第五章纳米孔壁面带电对蛋白质过孔输运影响

5.1 电泳驱动蛋白质在带电纳米孔中易位

5.1.1 模拟细节

5.1.2 带电纳米孔中蛋白质的输运特性

5.1.3 纳米孔带电对蛋白质输运特性影响分析

5.1.4 带电纳米孔中蛋白质的去折叠发生机理分析

5.2 电渗效应定量分析

5.3 本章小结

第六章总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果

参与的科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 史晓蕊

导师: 吴慧英,刘振宇

关键词: 蛋白质,纳米孔,浸润性,电渗效应,壁面带电,分子动力学模拟

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,材料科学

单位: 上海交通大学

分类号: Q503;TB383.1

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.001856

总页数: 90

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