摘要：艾滋病病毒在世界范围内的传播,严重地威胁到人们的身心健康.HIV-1蛋白酶的残基变异严重地削弱了药物的治疗效果.为了研究残基变异D30N、I54M和V82A对蛋白酶结合抑制剂GRL-0519的影响,本研究进行了4个30 ns的分子动力学(MD)模拟,并采用溶解相互自由能(SIE)方法计算了蛋白酶和抑制剂的结合能.计算结果表明,极性相互作用不利于变异的蛋白酶结合抑制剂,而对于野生型的蛋白酶(WT),极性相互作用有微弱的贡献,极性相互作用是残基变异抗药性的主要原因,计算得到的总结合能与实验的数据一致.为了说明每个残基在抗药性中的贡献,采用分子力场的方法计算了每一个残基与小分子作用的范德华作用能,并分析了抑制剂与蛋白酶形成的氢键.范德华作用分析表明,V82A残基变异对结合模式的影响较小,相对于WT,D30N有5个残基的范德华贡献差异大于0.4 kcal/mol,I54M残基变异的蛋白酶有6个残基.氢键的分析说明,D30N和I54M变异丢失了几个氢键;范德华作用和氢键的分析结果与SIE的计算结果一致.研究结果为设计新的更有效的抗HIV-1蛋白酶变异的抑制剂提供了理论指导.

摘要：α-synuclein蛋白的异常聚集在共核蛋白病的发病过程中起到了关键性作用。与α-synuclein相互作用的蛋白质对其异常聚集起着不同的调节作用,有的蛋白质(如:蛋白synphilin-1、微管蛋白、A-β肽等)会促进α-synuclein蛋白的异常聚集,而另外一些蛋白质(如:膜联蛋白A5、基于自识别元素设计的小肽等)却能够抑制α-synuclein蛋白的异常聚集。认识与α-synuclein相互作用的蛋白,并研究其作用位点,是从分子水平上理解α-synuclein蛋白质异常聚集、揭示共核蛋白病致病机制,以及设计新药物的基础。分子动力学模拟为开展这方面研究开辟了新的途径。文章对该领域的研究进展进行了综述。

摘要：基于分子动力学模拟方法研究了R249S、R248W和G245S突变对P53-DNA结合域肽段(残基230-258)结构的影响.采用GROMACS软件包和GROMOS43A1分子力场,分别对野生型wtP53肽段、单点突变型P53-R249S肽段、两点突变型P53-R249S/R248W肽段和三点突变型P53-R249S/R248W/G245S肽段进行了4组独立的分子动力学模拟,每组体系模拟时间为500ns.研究结果表明:R249S单残基突变影响肽段残基形成二级结构的情况,但不改变肽段三维结构的模式,同时使该肽段结构相对稳定;R249S和R248W两残基同时突变会加剧R249S突变对肽段的影响,同时导致三维结构发生较大变化,构象弯曲呈现双turn结构,肽段稳定性进一步增大;G245S突变对肽段的影响与R249S和R248W同时突变对其结构的影响相反,在两残基突变的基础上,G245S突变会使原突变引起的变化减弱甚至消失,同时使得该肽段结构稳定性减小.该研究对认识肿瘤致病分子机制和设计新药物有重要意义.

摘要：细胞穿透肽在体内缺乏细胞和组织专一性,使得这类载体的临床应用受到很多限制.成功设计各类疾病特异性靶向穿透肽的关键是充分认识这类多肽的跨膜分子机制.分子动力学模拟已逐渐成为开展该领域研究不可或缺的重要工具,与实验研究相互促进,对特异性靶向穿透肽的设计具有重要的指导作用.目前,利用分子动力学模拟主要开展的研究内容包括跨膜过程、跨膜自由能变化、多肽序列结构特征以及不同细胞膜组成如何影响其跨膜机制等.随着分子模型及增强采样方法的发展,单组模拟能够直接快速获取多肽跨膜自由能和构象变化.因此,分子动力学模拟对如何改造或设计细胞靶向穿透肽提供理论依据和指导,对改善药物跨膜能力、减少药物对其他健康组织的毒害等方面有着重要的科学和实际意义.

摘要：抗菌肽具有广谱抗菌特性,有望成为抗生素较好的替代产品.研究抗菌肽的抗菌机制,可以为新型抗菌肽的设计提供指导.无论抗菌肽采用哪种抗菌机制,其首先要稳定地吸附到细胞膜之上.因此,本文利用分子动力学模拟方法比较了抗菌小肽BLFcin6与5种不同细胞膜之间的相互作用.对这5种细胞膜而言,小肽会很快结合在POPG膜和DPPC-CHOL膜的表面,倾向于进入DPPC膜的疏水内部,与POPC膜和POPC-CHOL膜的接触很少.考察相互作用能,小肽与POPG膜的相互作用最强,主要是小肽与细胞膜亲水头部存在静电相互作用;小肽与DPPC膜的疏水尾部的相互作用较强,但受胆固醇影响,小肽只结合在DPPC-CHOL膜表面.在结合过程中,小肽N端的Arg会先结合到细胞膜上,静电相互作用在小肽锚定细胞膜的过程中起关键作用.以上研究从原子水平上解释了为什么BLFcin6小肽具有抗菌作用,哪些残基起关键作用,也为进一步开展BLFcin6小肽及其衍生小肽的研究奠定基础.

摘要：细胞穿膜肽(cell penetrating peptides,CPPs)是一种小分子多肽,能够容易地穿过细胞膜.这类分子,尤其是具有靶向功能的CPPs为高效率投送药物到靶细胞带来希望.因此,对其展开研究对于生物医学有着一定的意义.本工作主要从序列水平对具有不同穿膜活性的CPPs进行研究,试图找出影响CPPs穿膜活性的因素,以及不同活性CPPs与非穿膜肽(Non CPPs)序列上的差异,并引入一种分析生物序列的方法.我们基于CPPsite数据库和不同的文献获取CPPs和Non CPPs序列,并进一步从CPPs序列中提取具有高、中、低穿膜活性的穿膜肽(HCPPs、MCPPs、LCPPs)用于构建数据集.基于这些数据集,开展了以下研究:首先,利用方差分析的方法,对不同活性的CPPs以及Non CPPs的氨基酸及二级结构组成进行分析,发现氨基酸的静电与疏水相互作用对CPPs的穿膜活性起到了重要影响,同时螺旋结构和无规卷曲也会影响CPPs的穿膜活性;其次,使用理化性质与长度将不同活性的CPPs展示在二维平面上,发现在某些特殊的性质下不同活性的CPPs与Non CPPs可以产生聚簇现象,HCPPs、MCPPs以及LCPPs和Non CPPs被分成了三簇,这种现象显示了它们之间的差异;最后,本文引入了生物序列理化质心的概念,将组成序列的残基看作质点,进而把序列抽象成质点系进行研究,并将此方法应用到CPPs的分析中,通过PCA方法将不同活性的CPPs投射到三维平面上,结果发现绝大部分CPPs聚在一起,部分LCPPs与Non CPPs聚在一起.此工作对于CPPs的设计,以及理解不同活性CPPs序列上的差异具有一定的意义.另外,本文引入的生物序列理化质心的分析方法也可以用于其他生物问题的分析,同时它们可以作为某些生物分类问题的输入参数,在模式识别中起到一定的作用.

摘要：目的研究溶液p H变化对抗菌肽LL-37结构的影响。方法利用分子动力学模拟方法,采用GROMACS软件包和OPLS-AA力场,分别在中性和强碱性条件下对LL-37进行模拟,总模拟时间达1微秒,最后对模拟轨迹进行分析处理。结果LL-37在中性环境下具有部分螺旋结构存在,特别是N端部分残基,结构具有较大柔性;在强碱性环境下,螺旋含量增多,抗菌核心区域残基形成螺旋结构的几率明显增大,结构稳定性增强。结论 p H值的增大会促进LL-37螺旋结构的形成,螺旋结构的形成和与膜结合是协同的。N端残基易形成螺旋,然后是抗菌核心区域。LL-37在中性环境下的结构特征与其行使多功能的角色相一致。该研究首次分析了LL-37在中性环境下的结构特征及p H的影响,有助于认识其抗菌机制及新药设计。

摘要：固有无序蛋白质(IDPs)是一种普遍存在且缺乏稳定空间结构的重要功能蛋白,为传统的蛋白质序列-结构-功能研究模式提出了挑战,成为当前蛋白质科学研究的热点领域。由于其特殊的柔性结构特征,IDPs的实验研究难度大,通过计算方法来预测IDPs成为IDPs研究的重要手段。然而由于被实验证实的IDPs还很少,对IDPs预测算法的有效评价还缺少可靠的数据集,因而通过人工设计随机蛋白序列并提出分析数理模型,从无序区残基分布、组成等多角度对两种代表性IDPs预测算法的预测结果进行了深入对比研究。结果表明各随机序列中不同IDPs预测算法得到的预测结果具有不同程度的差别,预测得到的无序区与天然蛋白中无序区序列特征一致,因此对IDPs的研究应充分考虑不同预测算法差异特征,提高研究结果的可靠性。

摘要：水体中N、P等营养盐的过多引起的水体富营养化严重破坏了生态系统的平衡.本文以(NH4)2SO4为唯一氮源,自活性污泥中分离得到36株氨氮降解菌,经过菌种复筛,获得氨氮降解率最高的一株菌:AD-7,经分子生物学鉴定该菌株为Galactomyces属.以初始氨氮浓度、接种量和pH为唯一变量进行单因素实验,并依据单因素实验结果进行Box-Behnken设计,利用响应面法分析三个因素之间的交互作用及确定最适的氨氮降解条件.结果表明,该菌株在三个因子多个不同配比情况下氨氮降解率均在99%及以上,并在pH 5.59,初始氨氮浓度291.16 mg/L,接种量2.21%时氨氮降解率预测值为100%,实测值仍可达到99%.本研究结果对含氨氮污水处理过程中菌种的使用及各因素之间的调节具有重要的指导意义.

摘要：纳米生物传感器是将纳米材料作为新型生物传感介质,基于电学、光学等物理原理设计而成的新型生物传感器.该类传感器具有体积小、响应速度快、测量精度高等优点.可对病原微生物、疾病标志物及药物小分子等多类物质进行灵敏检测,在食品安全、疾病诊断、药物开发等领域具有十分重要的应用价值.当前,纳米生物传感器在稳定性、低浓度定量检测及分子动态信息检测等方面仍然面临一些问题.制备新型优质纳米传感材料、研制高性能传感器,揭示传感器物理工作机理、建立精准的分析模型等是解决这些问题,推动纳米生物传感器技术进一步发展的有效途径.该项目发展了多种制备优质纳米传感材料的方法,制备了大尺寸石墨烯单晶及多种石墨烯/纳米金属复合材料;首次以石墨烯单晶为导电沟道研制了高稳定、高灵敏、高通量、低消耗的单晶石墨烯场效应管(G-FET)生物传感器,发展了G-FET检测分子互作(相互作用)动态信息的新方法;提出了石墨烯/纳米金属表面增强拉曼(SERS)的方法,利用纳米金属优良的电磁增强效应及石墨烯隔离钝化、分子富集、抑制激光漂白、化学增强及抗氧化等综合理化效应,发展了一种高灵敏、高稳定、可定量的SERS传感方法;基于G-FET及SERS实现了对分子互作动力学及亲和力、基因突变、疾病标志物等灵敏可靠的检测.该研究的实施得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金、泰山学者基金资助.