童明瓊，劉 鵬，孫 婉，范 娜，王曉玥

(1.德州學(xué)院 醫(yī)藥與護(hù)理學(xué)院，山東 德州 253023；2.德州學(xué)院，山東 德州 253023)

1 引言

近年來，納米材料作為基因載體[1]的研究為腫瘤治療提供了新的方案。石墨烯本身具有穩(wěn)定性好、比表面積大的特性，其功能性氧化物又兼具良好的分散性、生物相容性、較高的載藥率等優(yōu)點(diǎn)，隨著不同官能團(tuán)及藥物分子在納米材料的結(jié)合可行性被證明，石墨烯由于其特性被認(rèn)為是潛在的藥物載體[1]。將氧化石墨烯作為運(yùn)載siRNA的載體，通過GO-R8/anti-HER2(GRH)，構(gòu)建GRH/siRNA體系，在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出了高效的腫瘤抑制作用。功能化氧化石墨烯除了可以負(fù)載siRNA外，還可以負(fù)載質(zhì)粒等其他基因藥物，以便提高抗癌藥物的靶向作用和選擇特異性。目前，石墨烯及其衍生物被廣泛應(yīng)用于藥物載體、生物傳感器、生物成像及組織工程等方面[2]。雖然石墨烯及其衍生物的應(yīng)用發(fā)展迅速，為生物醫(yī)藥等方面的應(yīng)用提供了更多的可能，但目前對(duì)其研究并不成熟，還存在諸多問題需要解決，因此進(jìn)一步研究石墨烯的性質(zhì)及作用機(jī)理意義重大。

氨基酸作為人體的主要組成部分，也是蛋白質(zhì)、核酸以及酶等生物分子的重要組成單元，并對(duì)靜電、疏水等共價(jià)作用起著一定調(diào)節(jié)作用，因此全面了解石墨烯和氨基酸的對(duì)接作用對(duì)于研究不同生物分子與功能化氧化石墨烯的結(jié)合具有重要的指導(dǎo)意義。此外，雖然目前有研究報(bào)告稱石墨烯在生物運(yùn)輸應(yīng)用中有很好的適應(yīng)性和實(shí)用性，但在分子水平對(duì)石墨烯與氨基酸的相互作用的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[3]，本文在分子層面構(gòu)建所需石墨烯及有關(guān)氨基酸的分子模型并對(duì)其進(jìn)行分子對(duì)接，在分子層面對(duì)其進(jìn)行分析研究，恰恰填補(bǔ)了這一空缺。

本次研究的主要目的在于確定兩種尺寸的石墨烯(C62H20，C186H36)與色氨酸(Trp)的最優(yōu)結(jié)合模式。分析的基本方法是通過Gaussian程序包構(gòu)建并優(yōu)化上文所述的石墨烯及氨基酸，并通過AutoDock進(jìn)行對(duì)接并分析對(duì)接復(fù)合物的能量、結(jié)合模式等，以此作為判斷石墨烯作為氨基酸載體的選擇性和有效性依據(jù)。

2 計(jì)算方法

目前常用的分子對(duì)接軟件有許多，包括AutoDock、Dock、3D-Dock、Fred等，本次模擬試驗(yàn)主要采用AutoDock，它是一款開源的分子模擬軟件，被廣泛應(yīng)用于配體與蛋白質(zhì)分子間的對(duì)接[4]。在對(duì)接過程中，為了在充分節(jié)省計(jì)算資源的情況下又能得到穩(wěn)定可靠的計(jì)算結(jié)果，AutoDock將基于格點(diǎn)能量的計(jì)算方法和有效的扭轉(zhuǎn)自由度搜索方法相結(jié)合來解決此問題。AutoDock軟件包由Auto Grid和AutoDock兩個(gè)程序組成，其中AutoGrid用來計(jì)算格點(diǎn)中的能量，而AutoDock則用來搜索并評(píng)價(jià)有關(guān)構(gòu)象。在初始版本中，AutoDock通過模擬退火算法來搜索對(duì)接分子的最佳耦合結(jié)構(gòu)，并使用半經(jīng)驗(yàn)自由能計(jì)算方法來評(píng)估受體和配體之間的匹配情況。后期，作者改進(jìn)了算法，產(chǎn)生了拉馬克遺傳算法(LGA)，通過研究，LGA具有比傳統(tǒng)的模擬退火和遺傳算法更高的執(zhí)行效率，利用LGA可以快速準(zhǔn)確地搜索最高結(jié)合親和性的位置。另外，為了提高計(jì)算速度，AutoDock采用格點(diǎn)對(duì)接，在這些格點(diǎn)之間保存受體和探針原子之間的相互作用，并且基于格點(diǎn)式的快速能量評(píng)估方法評(píng)估受體和配體之間的能量匹配。在算法優(yōu)化中仍存在某些局部問題的極小誤差，為了減少這些誤差，得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果，需要進(jìn)行多次計(jì)算，本次實(shí)驗(yàn)中我們對(duì)構(gòu)建的分子盒進(jìn)行了300次的計(jì)算。

3 結(jié)果與討論

本文采用密度泛函理論，首先用Gauss View5.0構(gòu)建了色氨酸(Trp)、大尺寸石墨烯(CL)、小尺寸石墨烯(CS)三種分子的模型，并通過Gaussian09程序進(jìn)行B3LYP/6-31G水平上的優(yōu)化，得到了兩種分子最穩(wěn)定的構(gòu)象模型。

本次對(duì)接我們采用的是剛性對(duì)接的對(duì)接方法，即石墨烯與氨基酸的對(duì)接只在空間位置和姿態(tài)上發(fā)生了改變，結(jié)構(gòu)上并無變化。關(guān)于對(duì)接過程，我們共進(jìn)行了300次的對(duì)接計(jì)算，平均分為A、B、C三組，每組100次。在分子對(duì)接理論中，能量越低，分子結(jié)合越穩(wěn)定，因此我們采用篩選能量的方法進(jìn)行最優(yōu)結(jié)合構(gòu)象的選擇。在這三組中，首先我們對(duì)每一組進(jìn)行單獨(dú)分析，根據(jù)AutoDock的程序設(shè)定，綜合能量越低的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象會(huì)在結(jié)果播放窗口中越靠前，因此我們選擇了每組數(shù)據(jù)的第一組構(gòu)象作為本組最優(yōu)并進(jìn)行能量數(shù)據(jù)分析，見下表1。

表1 最優(yōu)構(gòu)象能量表

從表1的數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)，在ABC三組中，每組的最優(yōu)構(gòu)象能量都是一致的，研究發(fā)現(xiàn)，Trp與小尺寸石墨烯CS的結(jié)合能為-4.62 kcal/mol，與大尺寸石墨烯CL的結(jié)合能為-4.92 kcal/mol，表明Trp與大尺寸石墨烯CL的結(jié)合更穩(wěn)定。依據(jù)對(duì)接得到的300組構(gòu)象和結(jié)合能的比較結(jié)果，我們分別得到了CS-Trp 和CL-Trp復(fù)合物優(yōu)勢(shì)構(gòu)象，即每組中的第一個(gè)構(gòu)象。在每組復(fù)合物優(yōu)勢(shì)構(gòu)象中選擇了三組位于碳環(huán)上的原子進(jìn)行距離統(tǒng)計(jì)，用平均值代替對(duì)接復(fù)合物中石墨烯與色氨酸分子間的距離，統(tǒng)計(jì)如下表2。

表2 復(fù)合物中石墨烯與氨基酸之間的距離

4 結(jié)論

在本此研究中，我們采用分子對(duì)接技術(shù)研究了大小兩種尺寸的石墨烯，即CS(C62H20)、CL(C186H32)與色氨酸(Trp)的結(jié)合模式。通過比較能量的方法選擇出了兩組最穩(wěn)定的復(fù)合物優(yōu)勢(shì)構(gòu)象，其結(jié)合能分別為-4.62 kcal/mol(CS-Trp)和-4.92 kcal/mol(CL-Trp)。優(yōu)勢(shì)構(gòu)象中色氨酸與大尺寸石墨烯CL的距離小于色氨酸與小尺寸石墨烯CS的距離，距離越近，其π-π堆積作用也越強(qiáng)，因此我們認(rèn)為大尺寸石墨烯更易于結(jié)合色氨酸。