多肽链在不同衬底表面上构象变化和自组织行为的分子动力学研究

The simulation results in our previous work show that the conformational changes of polypeptides with different sequences may occur in solutions under certain conditions, and furthermore, left-handedly twisted fibrillar structures can be obtained through the self-assembly of polypeptides. These fibrils, being composed of highly ordered β-sheets, show exceptional mechanical properties which are comparable to those of spider silk, indicating their potential of becoming innovative nanoscale and biological materials. In this work, we propose to investigate the mechanisms of conformational changes and self-assembly behaviors of polypeptides on various surfaces (such as hydrophobic, hydrophilic, positively or negatively charged surfaces). The main research objectives include: understanding the effects of different surfaces on the conformational changes and self-assembly behaviors of polypeptides; discovering means for manipulating the structures and morphologies of self-assembly of polypeptides, and optimizing the conditions for the formation of ordered fibrils on the surfaces. From an application viewpoint, the current project can be insightful in developing highly efficient manufacturing techniques of innovative biological fibrillar materials and functional nanoscale devices through the self-organization of polypeptides on surfaces.

我们前一阶段的计算机模拟研究工作表明，在一定条件下，多种序列的蛋白质和多肽链在溶液中可以发生构象变化，并能进一步自组织形成高度有序的螺旋状纤维结构。这种高度有序的螺旋状纤维力学性能优异，可以与蛛丝相媲美，是一种潜在的新型生物医学材料。本课题拟进一步开展在不同性质（疏水，亲水，带正电荷或负电荷）的衬底表面上多肽链的构象变化和自组织行为的分子动力学研究。研究内容主要包括：系统研究不同衬底表面对多肽链二级结构构象变化和多肽链自组织行为的影响，探索在衬底表面上如何调控多肽链自组织结构的形态，以及寻找多肽链自组织形成高度有序纤维结构的最佳条件。本课题可为如何在分子层次上设计新型纳米和生物医学材料提供新的思路和理论依据。

在本科研项目经费的支持下，我们主要开展了不同序列的多肽链在不同性质（疏水和带电）的衬底表面上的构象变化、自组织行为机制及其自组织结构的分子动力学研究。主要采用的计算机模拟方法为分子动力学和蒙特卡罗模拟方法。研究内容主要包括：不同长度的聚丙氨酸多肽链（polyalanine）在疏水表面上从完全无序的初始态自组织形成β折叠的动力学机制；在水溶液中已经形成的聚丙氨酸多肽链（polyalanine）无定形聚集体吸附于疏水表面后，其在不同温度下在疏水表面上的结构演化；多肽链Aβ16-22（KLVFFAE）在不同温度下在带负电（COO-）表面上的吸附过程和构象变化，以及多条Aβ16-22在带负电表面上的自组织行为机制，并与疏水表面的自组织行为进行了比较。同时，受相关工作的启发，我们还采用分子动力学方法研究了两性离子表面活性剂油酰胺丙基甜菜碱分子（ODB）在不同种类和浓度的盐溶液中的自组装过程，探讨了盐种类和浓度对其自组装形成蠕虫状结构的影响，以及开展了阴离子表面活性剂（十二烷基硫酸钠，SDS）和两性离子表面活性剂（十四烷基磺基甜菜碱，TPS）复配体系中分子自组装动力学行为的探索，研究了不同配比和Ca2+离子浓度对SDS/TDS复配体系自组装胶束结构的影响。这些研究工作可为将来探索如何在分子层次上设计、调控新型纳米和生物医学材料提供新的思路和理论依据。