【摘 要】
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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
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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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