[发明专利]一种蛋白在二氧化钛表面上吸附行为的仿真调控方法

说明书

本发明公开了一种蛋白在二氧化钛表面上吸附行为的仿真调控方法。该方法为：（1）构建材料表面模型；（2）建立蛋白‑表面‑溶液体系模型，通过分子动力学软件模拟蛋白在表面上的吸附过程；（3）计算均方根偏差、回转半径、二级结构含量以及吸附能量随时间的变化来描述蛋白的吸附行为；（4）改变表面的孔径大小，实现对蛋白在表面上吸附行为的调控，指导制备医用二氧化钛植入材料。本发明建立了一种基于计算机的、省时省力的方法去模拟蛋白在生物材料表面上的吸附行为并将其可视化，提供了一种蛋白吸附构象、吸附强度的仿真调控方法。本发明的方法计算效率高，成本低廉，为开发其他生物植入材料提供了强力的工具。

技术领域

本发明属于生物材料仿真技术领域，具体涉及一种蛋白在二氧化钛表面上吸附行为的仿真调控方法。

背景技术

蛋白质分子常用来修饰生物材料表面提高医用金属材料的移植效果，在表面吸附的蛋白质会直接影响移植体的移植效果。当一种生物材料与含有细胞的生物环境接触时，可溶性蛋白质迅速吸附到生物材料表面，在几秒钟到几分钟的时间内使其饱和。因此，活细胞可能永远不能与天然的生物材料作用，细胞表面的相互作用最终是细胞与表面结合蛋白层之间的相互作用。也就是说，细胞对生物材料的反应很大程度上取决于结合蛋白层的形态、构象和取向。相关研究结果显示：表面的局部变化特别是纳米表面形貌的变化，可能导致吸附蛋白的数量、密度和取向发生变化。然而，实验上无法直接在纳米尺度上观察蛋白在材料表面的动态吸附过程，这使得该吸附机制成为目前研究瓶颈，蛋白的吸附行为也难以预测。

随着计算机技术的不断发展，计算机模拟逐渐成为与理论方法、实验手段并列的科学研究手段之一。计算机模拟方法相比实验方法有几点优势，如增加安全性、降低成本、可研究非常快速的反应或者化学变化、得到准确的结果及加强对问题的了解。分子动力学模拟(molecular dynamics simulation，MD)是一种基于计算机考察原子和分子物理运动的模拟技术。其基本原理是，给定模拟体系的初始态，依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系综中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的宏观性质。该方法已经被大量用于吸附研究上，在蛋白吸附行为预测及调控方面却很少被应用。该技术可以用于考察蛋白在表面诱导下的运动轨迹和位置变化。

邓森等人模拟了多肽链在不同带电量的表面上的自组装过程(CN201710316444：一种多肽链自组装过程的分子动力学研究方法)，但该方法仅针对不同带电量对多肽链自组装的影响，而且没有引入构象变化的概念，不适用于预测蛋白吸附行为。

发明内容

为了解决现有实验技术难以在纳米尺度上研究蛋白吸附行为的问题，本发明目的在于建立一种基于计算机的、省时省力的方法去模拟蛋白在生物材料表面上的吸附行为，并提供一种蛋白吸附构象、吸附强度的仿真调控方法。该方法能够在纳米尺度上观察蛋白在不同孔径大小二氧化钛表面上的动态吸附过程，并根据蛋白吸附结果进行反馈调控。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种蛋白在二氧化钛表面上吸附行为的仿真调控方法，包括如下步骤：

(1)在Materials Studio软件内构建具有不同粗糙度的二氧化钛表面的分子模型，然后赋予合理的原子电荷；其中蛋白的分子结构直接从蛋白数据库-PDB获得，在Gromacs软件(经典的分子动力学软件)中用最陡下降法进行能量优化；选取能量最低的蛋白结构作为吸附初始构型，将之与表面模型合并，组成蛋白-表面的二元体系用于分子动力学模拟；

(2)对构建好的蛋白-表面复合系统进行分子动力学模拟，对整个体系都赋予CHARMM27力场，在系统中加入溶剂水以及钠离子或氯离子至整个体系呈电中性，用最陡下降法和蛙跳式算法积分牛顿运动方程实现整个系统的能量收敛，系统温度一直维持在310K，并赋予1个标准大气压，这样可以保证系统的电性平衡。对目标蛋白添加约束后进行1ns的NVT系综驰豫，最后撤销约束进行20ns的分子动力学模拟；