石墨烯與色氨酸相互作用模式的分子模擬研究

童明瓊，劉 鵬，孫 婉，范 娜，王曉玥

(1.德州學院 醫藥與護理學院，山東 德州 253023；2.德州學院，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、較高的載藥率等優點，隨著不同官能團及藥物分子在納米材料的結合可行性被證明，石墨烯由于其特性被認為是潛在的藥物載體[1]。將氧化石墨烯作為運載siRNA的載體，通過GO-R8/anti-HER2(GRH)，構建GRH/siRNA體系，在實驗中表現出了高效的腫瘤抑制作用。功能化氧化石墨烯除了可以負載siRNA外，還可以負載質粒等其他基因藥物，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用發展迅速，為生物醫藥等方面的應用提供了更多的可能，但目前對其研究并不成熟，還存在諸多問題需要解決，因此進一步研究石墨烯的性質及作用機理意義重大。

氨基酸作為人體的主要組成部分，也是蛋白質、核酸以及酶等生物分子的重要組成單元，并對靜電、疏水等共價作用起著一定調節作用，因此全面了解石墨烯和氨基酸的對接作用對于研究不同生物分子與功能化氧化石墨烯的結合具有重要的指導意義。此外，雖然目前有研究報告稱石墨烯在生物運輸應用中有很好的適應性和實用性，但在分子水平對石墨烯與氨基酸的相互作用的研究還遠遠不夠[3]，本文在分子層面構建所需石墨烯及有關氨基酸的分子模型并對其進行分子對接，在分子層面對其進行分析研究，恰恰填補了這一空缺。

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)的最優結合模式。分析的基本方法是通過Gaussian程序包構建并優化上文所述的石墨烯及氨基酸，并通過AutoDock進行對接并分析對接復合物的能量、結合模式等，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。

2 計算方法

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

3 結果與討論

本文采用密度泛函理論，首先用Gauss View5.0構建了色氨酸(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程序進行B3LYP/6-31G水平上的優化，得到了兩種分子最穩定的構象模型。

本次對接我們采用的是剛性對接的對接方法，即石墨烯與氨基酸的對接只在空間位置和姿態上發生了改變，結構上并無變化。關于對接過程，我們共進行了300次的對接計算，平均分為A、B、C三組，每組100次。在分子對接理論中，能量越低，分子結合越穩定，因此我們采用篩選能量的方法進行最優結合構象的選擇。在這三組中，首先我們對每一組進行單獨分析，根據AutoDock的程序設定，綜合能量越低的優勢構象會在結果播放窗口中越靠前，因此我們選擇了每組數據的第一組構象作為本組最優并進行能量數據分析，見下表1。

表1 最優構象能量表

從表1的數據中我們發現，在ABC三組中，每組的最優構象能量都是一致的，研究發現，Trp與小尺寸石墨烯CS的結合能為-4.62 kcal/mol，與大尺寸石墨烯CL的結合能為-4.92 kcal/mol，表明Trp與大尺寸石墨烯CL的結合更穩定。依據對接得到的300組構象和結合能的比較結果，我們分別得到了CS-Trp 和CL-Trp復合物優勢構象，即每組中的第一個構象。在每組復合物優勢構象中選擇了三組位于碳環上的原子進行距離統計，用平均值代替對接復合物中石墨烯與色氨酸分子間的距離，統計如下表2。

表2 復合物中石墨烯與氨基酸之間的距離

4 結論

在本此研究中，我們采用分子對接技術研究了大小兩種尺寸的石墨烯，即CS(C62H20)、CL(C186H32)與色氨酸(Trp)的結合模式。通過比較能量的方法選擇出了兩組最穩定的復合物優勢構象，其結合能分別為-4.62 kcal/mol(CS-Trp)和-4.92 kcal/mol(CL-Trp)。優勢構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，因此我們認為大尺寸石墨烯更易于結合色氨酸。