微纳电化学葡萄糖生物传感器的分子动力学模拟研究

摘要

酶是活细胞产生的高效高特异性的生物催化有机体，并在生命活动中起着不可替代的重要作用。酶生物传感器运用酶作为分子识别要素，有着高选择性、高灵敏度和快速响应等优点。随着生物、化学、医学、物理学、微电子技术和其他相关学科的快速发展，酶生物传感器的研究已成为生物化学传感器中的热点。酶葡萄糖生物传感器已被广泛研究并造福于全世界数以百万计的糖尿病人。
　　在过去的几十年，许多研究致力于提高酶传感器的灵敏度和稳定性。随着近几年纳米科技的发展，科学家们已尝试运用具有高比表面积、优越电特性等性质的多种多样的纳米材料构建或修饰传感器电极来提高酶生物传感器的性能。尽管如此，引入的纳米材料可能会对酶的活性甚至传感器的性能造成影响。面对电极界面酶的固定化和酶活性的保持这两大限制酶生物传感器高性能的难题，不同特性的纳米材料与酶相互作用及影响酶活性的机理在分子层面尚不清楚。
　　分子动力学仿真模拟已被成功应用于生物物理学、生物化学、物理化学等领域。通过分子动力学模拟，对所研究的分子进行建模并在计算机上进行仿真计算，可以了解分子在原子分辨率上相互作用的机理。针对上述酶生物传感器中所存在的问题，本文通过分子动力学仿真的方法，模拟了不同电性、不同表面形貌的纳米材料与葡萄糖氧化酶及其辅因子在分子层面上的相互作用，研究了修饰传感器电极的纳米材料与酶之间的作用机理，并为设计更高性能的电化学生物传感器提供重要的理论指导。主要研究内容和实验结果如下:
　　(1)不同形貌纳米材料与葡萄糖氧化酶相互作用的分子动力学研究。在葡萄糖生物传感器中，不同形貌的纳米材料会对葡萄糖氧化酶的构象产生不同的影响，继而影响葡萄糖氧化酶的活性与传感器的性能。针对酶的固定化问题，本文通过分子动力学模拟研究了不同形貌的纳米氧化锌材料对葡萄糖氧化酶在界面上的作用。而为了仿真金属电极工作状态，本文又对带电金平面结构和纳米孔洞对葡萄糖氧化酶的构象变化做了仿真研究。本文建立了两种初始构象的葡萄糖氧化酶仿真模型，直径10nm孔洞结构和两种不同电性表面的平面氧化锌仿真模型，直径10nm孔洞结构和一种电性平面结构的金仿真模型。不同形貌氧化锌和金纳米结构与不同初始构象的葡萄糖氧化酶组成10种仿真体系，并将它们溶解在有离子参与的水盒子中完成1 ns的分子动力学仿真实验。分析仿真结果发现，不同纳米结构的氧化锌和金基底会给葡萄糖氧化酶带来不同的构象变化。平面结构的氧化锌和金基底都对葡萄糖氧化酶的构象造成了巨大的影响，甚至使得葡萄糖氧化酶失去其二级结构。与之相反的是，在氧化锌和金纳米孔洞内，葡萄糖氧化酶的构象几乎未发生变化，并基本与初始状态保持一致。对于酶的固定化和电极的使用而言，采用纳米孔洞结构构建传感器，是使酶稳定并保持其活性的最好策略。本文的分子动力学仿真结果，与之前来自文献报道中基于氧化锌和金纳米孔洞结构的生物传感器灵敏度高于基于氧化锌和金平面结构的生物传感器灵敏度的研究结果较好吻合。从而通过分子动力学仿真模拟，在分子尺度上更好的理解生物传感器中酶活性、传感器灵敏度、酶的构象和电极纳米结构之间的关系。
　　(2)不同电性单壁碳纳米管与FAD相互作用的分子动力学模拟研究。在研究直接电子传递的葡萄糖生物传感器时，将葡萄糖氧化酶的脱辅酶与修饰在单壁碳纳米管上的葡萄糖氧化酶的辅因子黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)重组，能有效的提高葡萄糖传感器检测葡萄糖时氧化还原反应的电子传递效率，实现电极与酶活性中心之间的直接电子传递。但在具体实验过程中碳纳米管会在处理过程中被修饰不同的基团而带不同电性，并且会对修饰在其上的FAD的构象造成不同的影响。本研究的目的是运用分子动力学模拟仿真在分子层面分析不同电性单壁碳纳米管对FAD构象的影响，寻求适合FAD与脱辅酶重组的单壁碳纳米管的最佳方案。本研究分别对FAD和三种不同电性单壁碳纳米管建立仿真模型，再将每个单壁碳纳米管和一个FAD共价连接并溶解在有离子参与的水盒子中完成18 ns的分子动力学仿真实验和操控式分子动力学仿真实验。分析仿真轨迹和能量数据发现，带不同电性的单壁碳纳米管对共价修饰在其上的FAD的构象和取向有不同的影响。电中性单壁碳纳米管由于共轭效应使得FAD在仿真结束时成倒置字母“U”型吸附于单壁碳纳米管上。带正电单壁碳纳米管由于磷酸基团和单壁碳纳米管强烈的静电吸引作用，使得FAD在仿真结束时吸附于单壁碳纳米管上。而带负电单壁碳纳米管系统中FAD构象和取向变化程度远小于另外两个系统，FAD在仿真结束时相对舒展并提供了足够的有效空间能够使FAD与脱辅酶进行重组。所以在电化学生物传感器实验中，选择带负电的单壁碳纳米管可以使FAD构象保持稳定，继而提高传感器性能。本研究对更好的理解类似于FAD的辅因子和不同电性纳米材料之间的相互作用有重大意义，并对葡萄糖传感器设计实验提供了理论指导，进而对未来新型生物传感器的的研究设计提供有效的理论支持。
　　(3)为了更好的设计高性能的纳米生物传感器，本文指出应该首要考虑构建使酶稳定并能保持其活性的具有生物相容性的纳米结构。本研究提供了一种在分子层面研究蛋白质与界面相互作用的方法，运用分子动力学仿真模拟提供保证酶活性的理论指导，根据理论指导充分利用纳米材料的优异性质在生物传感器电极上设计构建可调控的能使酶保持活性的纳米结构。生物分子和纳米结构混合体系的分子动力学模拟能更好的从机理上阐释酶和电极之间相互作用的关系，对更高性能的生物传感器研究具有重要的科学意义。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 电化学葡萄糖生物传感器

1．1．1 糖尿病与血糖检测

1．1．2 电化学葡萄糖传感器的研究进展

1．2 纳米材料在葡萄糖传感器中的应用

1．2．1 基于氧化锌纳米材料的葡萄糖传感器的研究进展

1．2．2 基于金纳米材料的葡萄糖传感器的研究进展

1．2．3 基于碳纳米管材料的葡萄糖传感器的研究进展

1．3 分子动力学模拟在生物传感器中的应用

1．4 本文主要研究内容

第二章 分子动力学模拟计算研究方法

2．1 分子动力学简介

2．1．1 分子构象变化的研究

2．1．2 过膜运输的研究

2．1．3 蛋白折叠的研究

2．1．4 配体结合的研究

2．2 基本原理和运动方程

2．2．1 基本原理

2．2．2 运动方程的数值解法

2．3 分子力场

2．3．1 键的伸缩项(Ub)

2．3．2 键角弯曲项(Uθ)

2．3．5 非键结势能(Unb)

2．3．6 几种常见的力场

2．4 周期性边界条件

2．5 能量最小化

2．5．1 势能图与势能面

2．5．2 利用函数的导数求极小值

2．6 操控式分子动力学模拟(SMD)

2．6．1 平均力势

2．6．2 操控式分子动力学原理

2．7 NAMD分子动力学仿真软件

2．7．1 NAMD软件设计

2．7．2 NAMD在生物分子计算中的应用

第三章 电化学酶生物传感器纳米孔洞结构对酶活性影响的分子动力学模拟

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 仿真体系的建立

3．2．2 仿真过程的设置

3．3 结果与讨论

3．3．1 初始取向为1-original的GOD在ZnO基底上的分子动力学模拟

3．3．2 初始取向为2-x[90]°的GOD在ZnO基底上的分子动力学模拟

3．3．3 初始取向为1-original的GOD在Au基底上的分子动力学模拟

3．3．4 初始取向为2-x[90]°的GOD在Au基底上的分子动力学模拟

3．4 本章小结

第四章 FAD修饰不同电性碳纳米管的分子动力学模拟

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 碳纳米管与FAD仿真体系的建立

4．2．2 碳纳米管与FAD仿真体系的过程

4．3 结果与讨论

4．3．1 FAD修饰不同电性SWNT体系的RMSD与质心归一化距离

4．3．2 FAD修饰电中性SWNT的分子动力学模拟

4．3．3 FAD修饰带正电SWNT的分子动力学模拟

4．3．4 FAD修饰带负电SWNT的分子动力学模拟

4．3．5 FAD修饰不同电性SWNT的操控式分子动力学模拟

4．4 本章小结

5．1 总结

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果