采用不同性质的纳米材料来控制、预测和利用蛋白质的吸附,包括取向调控、构象转换等,可以帮助我们探索生物分子在材料界面吸附的一般性规律,并且有助于解决在不同生物工程应用中出现的各种关键问题。本文采用并行回火蒙特卡罗(PTMC)和全原子分子动力学(MD)模拟方法来研究α-胰凝乳蛋白酶(α-ChT)、HIV-1调节蛋白、细胞色素c(Cyt c)和脂肪酶在碳基纳米材料如一维碳纳米管,二维单层石墨烯和氧化石墨烯以及三维多层石墨界面上的酶活性抑制效应、构象转变、电子转移和非共价固定化机理,从而阐释生物分子与纳米材料界面的作用机制,然后通过功能化修饰达到材料的高效应用。1.使用PTMC和MD相结合的方法,研究了不同密度修饰的羧基化碳纳米管对α-ChT的吸附和酶活性的抑制机理。模拟结果表明,α-ChT在不同碳纳米管表面的吸附和驱动力取决于羧基密度。同时,在吸附过程中只观察到α-ChT出现轻微的二级结构变化。α-ChT通过疏水作用吸附在中性碳纳米管表面,并呈现出其活性位点朝向溶液的非竞争性吸附特征;而它的活性位口袋通过主导的静电作用结合到羧基化碳纳米管表面,引起竞争吸附模式,使酶的活性受到了抑制。抑制效应主要归因于α-ChT活性位点被功能化碳纳米管所引起的空间阻塞。以上结论与实验现象相符,并在分子水平上很好地解释了α-ChT的活性抑制机理。此外,本研究将有助于阐明其它纳米材料特异性识别和调节α-ChT活性的详细机制。2.使用MD模拟的方法,研究了螺旋态的病毒蛋白R片段Vpr13-33在石墨烯界面发生的早期构象转变。模拟结果表明,Vpr13-33在溶液中几乎保持其α螺旋构象,但强烈吸附在石墨烯表面时转变成β折叠结构。Vpr13-33在石墨烯表面的较优吸附主要由疏水相互作用介导。同时,模拟过程中只发现了α螺旋向β折叠结构转变的早期过程,并未观察到完整稳定的β折叠结构。采用自由能图对多肽构象的转变做了进一步的补充分析,并由Vpr13-33的聚类分析确定了最具代表性的中间态。以上结论与实验结果一致,并给出了Vpr13-33暴露在石墨烯表面上发生特定程度的毒性减弱的分子水平解释。同时,本研究将为石墨烯表面疏水作用诱导蛋白质构象转变的详细机制提供一些重要的见解。3.使用MD模拟的方法,研究了细胞色素c在石墨烯和氧化石墨烯(GO)表面上的吸附取向,构象变化,以及这两者之间的相互作用特性和电子传递途径。模拟结果表明,Cyt c通过带正电荷的赖氨酸以静电引力强烈吸附在GO表面,而疏水相互作用有助于其在石墨烯表面的吸附。在吸附过程中,Cyt c并没有发生显著的构象改变。在石墨烯表面,Cyt c的血红素平面倾向于水平取向并远离表面,不利于电子传递。而对于GO表面,血红素平面略微倾斜于表面的法线方向,而轴向配体Met80更接近表面,有利于电子传递。以上发现对Cyt c与石墨烯基材料的电子转移机制提供了详细分析,促进了仿生电子器件的改善和效率的优化。4.使用PTMC和MD相结合的方法,研究了脂肪酶在四种不同化学性质的纳米材料表面的吸附机理和取向。模拟结果表明,脂肪酶强烈吸附在疏水性石墨表面,有着很大的接触面积和相互作用能。然而在亲水性的TiO2表面,脂肪酶因紧密黏附的水化层而只有较弱的吸附,并发生了解吸和重定向过程。当吸附在带正、负电荷的NH2-SAM和COOH-SAM表面时,脂肪酶的取向分布较窄而且相反。吸附在NH2-SAM表面上的脂肪酶具有朝向表面的催化中心,不利于与底物结合;而对于COOH-SAM表面,酶的催化中心朝向溶液。此外,脂肪酶吸附在不同表面时其天然结构保留完好,表明脂肪酶是一个刚性的酶分子。模拟结果从分子水平上揭示了脂肪酶在不同带电性和亲疏水表面吸附的取向和构象,将促进我们对纳米材料的表面性质如电荷或亲疏水性是如何影响脂肪酶固定化的理解,并帮助我们合理设计和开发固定化脂肪酶的载体。