DNA和金纳米粒子自组装的分子动力学模拟

摘要

在DNA纳米技术中，利用DNA良好的编码性，结合纳米粒子进行生物纳米制造具有很大前景，同时也具有巨大挑战。在科学实验中，利用 DNA和金纳米粒子（AuNPs）得到了完美晶体，制造出了纳米器械，这给 DNA-AuNPs自组装研究带来了更多积极的启示。近期在DNA-AuNPs自组装的实验研究中，发现无化学官能团修饰的DNA和AuNPs具有吸附现象，能自组装成DNA-AuNPs结构单元，打破了传统的DNA和AuNPs的连接。随着计算机技术的高速发展，先进的计算机技术被广泛应用到DNA-AuNPs自组装的研究中，特别是分子动力学模拟技术的发展，加快了DNA-AuNPs自组装研究的脚步。
　　本文基于分子动力学原理，应用Materials Studio分子模拟软件，对无化学官能团修饰的DNA和金纳米粒子(AuNPs)进行自组装模拟分析。体系建模采用全原子建模方式，能清楚的观察到模型的化学元素组成及其结构变化。目标体系由生物分子DNA、AuNPs和溶剂分子组成，其中DNA模型是从3D-DART模型生成器中得到的B-DNA骨架结构，包含10个腺嘌呤脱氧核苷酸，然后根据DNA的化学结构，利用Materials Studio软件补全DNA骨架结构中缺失的原子和化学键，得到完善的DNA全原子结构；AuNPs是金的晶体结构模型，由Materials Studio软件建模得到，由201个金原子组成；溶剂是由水分子组成。整个体系用分子力场中的COMPASS全原子模型力场进行描述。
　　本文首先用分子动力学模拟的方法模拟实现了无化学官能团修饰的DNA和AuNPs自组装吸附的过程，分析了体系的能量变化，并发现静电相互作用力是DNA和AuNPs发生自主装吸附现象的主导因素。为了分析对DNA和AuNps自组装吸附情况的影响因素，本文从平衡时间、均方根偏差(RMSD)、吸附能等方面研究水溶液和温度对吸附的影响。我们发现，水溶液对DNA-AuNPs自组装体系具有“奴役”作用，相对于真空体系，水溶液中的DNA的动力学特征和吸附作用更弱。另外，在 DNA的活性范围内，温度对 DNA-AuNPs自组装体系影响较大，在280K到360K的模拟温度下，我们发现，当体系温度为340K时，DNA和AuNPs的吸附作用最强，稳定性最好。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要工作

第二章 分子动力学模拟

2.1 分子动力学简介

2.2 分子动力学模拟算法

2.3 势函数

2.4 MD模拟方法及软件

2.5 本章小结

第三章 DNA-AuNps自组装模拟方案

3.1 模拟体系总体需求

3.2 DNA-AuNPs自组装方案探索

3.3 Materials Studio软件模拟

3.4 粒子间相互作用势

3.5结构优化

3.6 创建DNA-AuNPs体系

3.7 能量最小化

3.8 本章小结

第四章 DNA-AuNPs自组装MD模拟及结果分析

4.1 前言

4.2 DNA-AuNPs自组装及结果分析

4.3 水溶液对DNA-AuNPs自组装的影响

4.4 温度对DNA-AuNPs自组装的影响

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录一

附录二

附录三

附录四

附录五