環狀酪氨酸二肽自組裝行為的分子動力學模擬

李佳宇，李明林,2

(1.福州大學機械工程及自動化學院，福建 福州 350108；2.福建省醫療器械與醫藥技術重點實驗室，福建 福州 350108)

0 引言

自組裝在許多動態、多組件系統中很常見，從智能材料、自愈結構到網狀傳感器中都能看到自組裝的身影，它是制造納米結構集成的少數實用策略之一.肽分子可以通過非共價相互作用[1]進行自組裝，形成形態穩定、規整的納米結構.單個肽分子的特征尺寸[2]約為2～30 nm.因此，任何肽基材料都可能被正式指定為納米材料.由于肽分子的結構特征，肽分子中的原子具有空間有序性，這種有序排列的官能團確保肽分子自組裝成各種結構，如膠束、囊泡、纖維及各種有序的圖案等[3]，形成的結構類型取決于許多因素[4]，包括溶液的pH值、光照、溫度等條件.

二肽具有良好的光電特性、壓電性能和響應特性[5]，還具有容易制備和摻雜、低成本等工藝特點，在微電子器件、藥物釋放、組織工程等領域具有良好的應用前景.針對苯丙氨酸的光電特性已有大量研究且制備了多種基于苯丙氨酸的傳感器[6].酪氨酸二肽與苯丙氨酸二肽作為氨基酸類衍生物，有許多相同特性，但酪氨酸二肽具有更強的非共價鍵[7].Kwak等[8]發現包含酪氨酸端基的分子在水溶液中會自組裝成球形納米結構，且表現出光致發光現象.Shi等[9]構建環狀酪氨酸二肽(cyclo-dityrosine，CYY)納米纖維，發現其具有負光電導性和光電導性，熱效應導致基于CYY的光電存儲器電阻增加，影響導電性能.目前對酪氨酸二肽的研究較少，缺乏在微觀方面對自組裝機理的解釋.分子動力學方法不僅能提供聚集體直觀的三維結構，而且還能提供一些結構和動力學性質.本研究采用分子動力學探究不同溫度CYY在水溶液中的自組裝行為.

1 實驗模型與方法

Lan等[10]發現，在質量分數為5%的溶液中CYY會自組裝成凝膠.基于以上實驗，構建1個 5 nm × 5 nm × 5 nm的立方體模擬盒子，再將一定數量的CYY分子隨機分布在盒子中.CYY的分子結構如圖1所示，在其分子周圍加水進行溶劑化，得到質量分數為4%～24%的CYY溶液.其中，質量分數為19%的結構較為規整，選取該體系作為模擬的初始盒子.如圖2所示，水分子用藍色的點模型表示，CYY分子用紅色的 CPK(corey-pauling-koltun)模型表示.通過構造298～403 K時的溫度，以此探究溫度對CYY的自組裝影響.

圖1 CYY的分子結構Fig.1 Molecular structure of CYY

圖2 初始模型Fig.2 Initial model

分子動力學模擬選擇GROMOS 54a7[11]力場，在GROMACS 4.0.5軟件中實施.建立初始構型，采用三維周期性邊界條件，對每個體系進行能量最小化.接著分別使用正則系綜(NVT)、等溫等壓系綜(NPT)進行弛豫，將溶質和溶劑耦合到外部溫度浴和壓力浴中.該過程選擇Berendsen恒溫器和Parrinello-Rahman恒壓器，壓力維持在100 Pa，模擬步長設為2 fs，溫度設為298～403 K，每個體系模擬時長為40 ns.以LINCS約束算法來約束分子鍵長，水分子簡化為剛性(SPC)模型，并采用可視化分子動力學模擬(VMD)軟件對原子軌跡進行可視化.

2 實驗結果與討論

2.1 聚集體結構

如圖3所示，溶劑可及表面積(solvent accessible surface area，SASA)可用來檢測自組裝聚集體的完成情況和穩定性，其中，黑色曲線為CYY整體的SASA，紅色曲線表示電荷為-0.2～0.2之間的疏水基部分，藍色曲線為其他電荷的親水基.

圖3 不同溫度下的SASAFig.3 SASA at different temperatures

在模擬過程中親水基的SASA始終大于疏水基，所以從宏觀上講，CYY自組裝形成的納米結構是水溶性的.298 K時，SASA在5 ns左右驟降，與水溶液接觸的表面積減少，并在隨后的模擬時間內維持一個穩定的數值，表明自組裝已完成.408 K時，SASA震蕩幅度過大，此時納米結構較為不穩定.在VMD中觀察模擬結構，不同溫度下的CYY均能在25 ns內聚集在一起.

圖4為CYY在31.9 ns的聚集體結構主視圖，CYY分子用紅色的CPK模型表示.當溫度為298～358 K時，CYY均形成了納米柱結構且能在水溶液中保持穩定.當溫度為373和403 K時，CYY自組裝成團簇狀納米球結構，說明溫度對CYY的自組裝結構有一定的調控作用.

圖4 不同溫度下的凝聚態結構Fig.4 Views of the configurations at different temperature

2.2 相互作用

計算不同體系的庫倫和范德華相互作用能量.如圖5所示，CYY分子之間的相互作用均大于CYY與水分子之間的相互作用，表明CYY在水溶液中依靠靜電相互作用和范德華力的協同作用完成自組裝.其中，范德華相互作用的大小遠遠小于靜電相互作用的大小，數值約為靜電相互作用的1/3，表明靜電相互作用是自組裝的主要推動力.當溫度從298 K升高到403 K時，體系的相互作用并沒有出現明顯升高或降低的趨勢，而是穩定在一個平衡值左右，表明溫度的變化不會顯著影響自組裝過程中的非共價相互作用力.

2.3 氫鍵

氫鍵網格被廣泛應用于水溶液中的自組裝研究，計算不同體系的氫鍵數目，如圖6所示.

圖5 體系相互作用Fig.5 Interaction energy

圖6 氫鍵數目Fig.6 Number of hydrogen bonds

當水分子作為氫鍵上的受體時，CYY分子上的O1、O2、O3和O4(圖1)可以與水分子形成氫鍵.氫鍵對于溫度較為敏感，隨著溫度的升高，氫鍵逐漸斷裂，氫鍵數目整體呈降低趨勢，在403 K時氫鍵數目最少.O1和O4與水分子形成的氫鍵小于O2和O3與水分子形成的氫鍵，說明CYY分子上的肽鍵更容易與水分子形成穩定的氫鍵網格，從而推動聚集情況的發生.對比范德華力和靜電相互作用的較小變化，氫鍵可能在自組裝過程中起到了更大的作用.但是當溫度大于373 K時，加熱處理會減少自組裝的氫鍵數目，從而降低自組裝結構的穩定性.

3 結語

自組裝技術的關鍵是自組裝體接近或達到熱力學平衡狀態，從而保持結構的穩定.采用分子動力學模擬研究了CYY在不同溫度下的自組裝行為.結果表明，在298～358 K，CYY分子可以在很短的時間內完成自組裝，形成一維納米柱結構，并保持結構的穩定.在373和403 K時，CYY會自組裝成球狀納米結構.通過分析CYY分子之間的相互作用，以及CYY分子與水分子之間的相互作用，得出氫鍵起到了主要的推動作用，他與靜電相互作用、范德華力協同作用，共同完成CYY分子在水溶液中的自組裝.當溫度大于373 K時，自組裝結構變化較大難以在水溶液中保持穩定，表明在高溫情況下，CYY自組裝結構極易塌陷，難以維持穩定的納米結構.溫度對CYY的自組裝結構有一定的調控作用，298～358 K為適宜CYY分子自組裝的環境參數.