纳颗粒与单层膜相互作用和纳孔中DNA分子输运研究

IMECH-IR > 非线性力学国家重点实验室

	纳颗粒与单层膜相互作用和纳孔中DNA分子输运研究
英文题名	Research on the Interaction of Nanoparticle-Pulmonary Surfactant Monolayer and DNA Translocation in the Nanopores
	焦豹
导师	胡国庆
	2014
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位授予地点	北京
学位类别	博士
学位专业	流体力学
摘要	纳米尺度物质的输运规律是目前微纳流体力学的研究热点之一。本论文针对纳米/生物相互作用和受限空间内DNA分子运动，发展了分子动力学模拟方法，系统开展了对这两个重要纳尺度输运现象的机理研究。作为人体防护的第一道防线，吸入纳米颗粒与肺表面活性剂单层膜的相互作用代表了肺部最初的生物-纳米作用。这类相互作用决定了吸入颗粒的最终归宿、毒性效应及潜在的药物用途。发展了粗粒化分子动力学模型，结合分子动力学模拟和实验测量，深入研究了不同亲疏水性及表面电荷对纳米颗粒/天然肺表面活性剂单层膜相互作用的影响机理。研究发现，纳米颗粒与肺表面活性剂的相互作用及其脂蛋白冕的形成，不仅影响肺表面活性剂单层膜的生理功能，还将对随后的颗粒表面生物分子交换、与肺细胞的相互作用、颗粒进入不同组织和器官等过程产生影响。研究进一步建议在设计基于纳米颗粒的吸入式给药方式时，应考虑纳米颗粒-肺表面活性剂脂蛋白复合体的特性。使用如上所述的粗粒化分子动力学模型，研究了石墨烯/氧化石墨烯与肺表面活性剂单层膜的相互作用。研究发现，氧化石墨烯能够诱导肺表面活性剂单层膜形成孔结构，在氧化石墨烯覆盖的区域内，磷脂分子疏水端的有序性被破坏，造成单层膜结构的破坏。一旦单层膜上有孔结构形成，单层膜中各分子的扩散系数都下降一到两个数量级，造成单层膜性质的破坏。而石墨烯不能诱导单层膜形成孔结构，结合有关实验观测结果，我们从分子层次阐述了吸入氧化石墨烯的毒性机制。研究DNA分子在纳米通道内的输运和调控，降低DNA分子的过孔速度和区分单个碱基对实现基于纳米孔的第三代DNA测序具有重要意义。采用全原子模型的分子动力学模拟方法，研究单链DNA分子在石墨烯/氧化石墨烯纳米孔内的输运现象。研究发现，电场驱动poly(dA)20在碳氧比为4:1的氧化石墨烯纳米孔内的输运速度比石墨烯纳米孔内降低约2个数量级；单个碱基在氧化石墨烯表面的吸附能比在石墨烯表面都要高出至少30%。因此，使用氧化石墨烯纳米孔增加DNA分子过孔时与纳米孔表面的相互作用可以有效地降低DNA分子的过孔速度。单链DNA分子在双层氧化石墨烯纳米孔内的输运呈现碱基逐个通过纳米孔的方式，这一发现为实现基于纳孔的DNA测序提供了一种新颖的思路。
索取号	31131
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48949
专题	非线性力学国家重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	焦豹. 纳颗粒与单层膜相互作用和纳孔中DNA分子输运研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.

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