碳纳米管与蛋白质相互作用的理论研究

本项目结合分子动力学模拟与理论物理理论和方法，系统研究碳纳米管与蛋白质相互作用的物理机制，探索碳纳米管对蛋白质结构与功能的影响。在研究的过程中，首先，使用分子动力学方法，模拟不同尺寸的纯净碳纳米管以及由亲水、疏水和芳香环功能团修饰后的碳纳米管与不同序列和结构特征的蛋白质之间的相互作用过程。研究蛋白质在相互作用的过程中结构的变化，造成这些变化的原因，以及由此造成蛋白质生物功能的影响。其次，在对模拟数据系统分析的基础上，结合平均场理论以及其它相关物理理论与方法，建立唯象理论模型，在分子的层次上为碳纳米管与蛋白质相互作用提出理论解释。这对于理解碳纳米管以及其它纳米颗粒在纳米毒性与纳米药理学中的一些基本问题具有重要的意义，而且对于发展"分离碳纳米管"的纳米技术也有所帮助。

在本基金的资助下，我们研究组基于分子动力学的方法，进行蛋白质与碳纳米管相互的理论研究。首先，我们以碳纳米管为模型纳米颗粒，基于其与蛋白质相互作用的分子动力学模拟轨迹，研究纳米颗粒与蛋白质相互用的规律，探索纳米颗粒毒性产生的可能机制，在此方面的研究中，我们不仅考虑了碳纳米管修饰对于其与蛋白质相互作用的影响，而且我们还充分的考虑了纳米颗粒的形态与分子力场对于结合的影响，共有三种可能的纳米毒性机制被发现；其次，基于上述大规模的计算模拟数据，我们进行了理论的分析。我们发现，熵在蛋白质与碳纳米管的相互作用中起了重要的驱动作用。另外，在相互作用力方面，π-π 堆积相互作用与疏水相互作用力具有重要的驱动作用。最后，基于这些理论的研究，我们初步建立了理论模型，但是相应的模型参数还需要进一步的调试。