流体剪切力对蛋白质构象转换与聚集行为的影响机制

Fluid shearing force, which is a universal force in the downstream processing of proteins, is one essential factor leading to the structural distortion and eventually the denaturation of proteins. The elucidation of the mechanism underlying denaturation of protein under the shearing force is thus a key and fundamental issue underpinned the efficiency and performance of conventional bioreaction and bioseparation engineering process. Characterization of the special and time of the fluid flow is the key to the above-mentioned description of the shearing force effect. The objective of this proposed study is to profile protein structural transition and aggregation under fluid shear force using multi-scale simulation methods and fluidic experiments. For the present study, insulin, lysozyme, green fluorescence protein and urate oxidase were chosen as model protein, microfluidic devices, stirring apparatus, and nano-channels are chosen as typical working conditions to produce shear forces. The effect of fluid behavior such as similar principle numbers and fluid patterns, solution chemical and physical properties, such as component and viscosity, as well as interfacial characteristics on protein structural transition and its implication on thermodynamic and kinetic behavior of protein function will be carefully studied under monomolecular level, multi-molecular level and process level. This project is also featured by an integrated use of computational fluid dynamics, molecular simulation, multi-dimensional structural determination and analysis, in addition to enzyme activity and structure assay, in order to provide a molecular insight into protein structural transition under shear force. With these we hope to be able to derive general design principles for making the design of fluid, mass transfer and reaction optimization and to use them for various applications involving bioreaction and bioseapration.

流体剪切力广泛存在于众多生物反应和分离过程中，也是导致生物大分子变性失活的重要原因。因此流体剪切力对蛋白质结构影响的作用机制是涉及众多生物化工和生物医药工程的共性和基础科学问题，其核心和难点在于描述流体剪切力对蛋白质构象产生影响的"时""空"特性。本申请拟发展流体力学与多尺度分子模拟相结合的方法来模拟剪切力场中蛋白质的构象变化，并且将分子模拟与蛋白质结构分析表征、蛋白质与界面相互作用分析表征以及流动和传质过程实验相结合，以胰岛素、溶菌酶、绿色荧光蛋白和尿酸氧化酶为模型蛋白质，以微流体装置、搅拌装置和纳米孔道为典型工况，从单分子、多分子和过程层次揭示流场力学性质（流动相似准数与流动形式）、流体化学性质（流体组成、粘度）和流场界面性质对蛋白质构象变化的微观机制以及宏观热力学和动力学特性的影响作用规律，为新型生物反应和分离设备与介质的设计以及流动、传质和反应过程优化与调控提供理论与实验依据。

流体剪切力广泛存在于众多生物反应和分离过程中，也是导致生物大分子变性失活的重要原因，其核心和难点在于描述流体剪切力对生物大分子产生影响的“时”“空”特性。该项目执行期间，通过发展分子动力学模拟、粗粒化分子动力学、拉伸分子动力学和DFT理论在内的多尺度模拟方法，从单分子、分子群和纳米器件三个层次上阐释了生物大分子结构变化与环境外力之间的关系，通过构建外场存在条件下生物大分子构象变化的理论模型，描述了上述时空特性，面向大分子药物递送、纳米酶制剂和纳米流动三个具体实际应用问题，开展了基础理论和实验研究。具体而言，以AqpZ为模型蛋白质，采用分子动力学模拟和经典密度泛函理论研究了支撑型水通道蛋白磷脂组装以及剪切力对结构和功能的影响，研发海水淡化技术提供了新的可能；以分子模拟和实验研究为主要手段，从分子水平研究siRNA与高分子PMAL的相互作用、形成复合物后的稳定性及复合物与双层磷脂膜的相互作用，研究了不同条件下PMAL介导siRNA跨膜运输过程，为siRNA递送载体的分子设计提供理论基础；以药物中间体7-氨基头孢烷酸制备过程中所需的D-氨基酸氧化酶（DAAO酶）为研究对象，利用外场以抵抗酶纳米凝胶制备过程中所造成的剪切力失活。.在本基金支持下，课题组进行了大量相关领域的尝试工作，取得了很好的研究进展，四年间在该基金支持下已经发表SCI论文11篇（均标注），其中封面文章1篇；国际会议口头报告4篇，国际会议墙报3篇，获得国际会议最佳论文奖项1项，最佳国际会议墙报奖1项；国内会议6篇；培养博士博士后1名（联合培养），博士研究生1名（联合培养），硕士研究生3名；申请国家发明专利4项，其中获得授权3项。尚有部分研究成果正在归纳和总结之中。