关于氨基酸与目标材料之间相互作用机理的认识

近十年来，固体结合肽（SBP）具有生物相容性，可有效工程化以识别和图案化多种界面，因而备受关注。其应用领域包括纳米材料合成、生物分子锚定、医疗植入物研制、疫苗稳定、传感和化学催化。识别和定制SBP序列的常用技术是通过噬菌体展示库的组合方法，测试各种随机氨基酸序列组成，依据序列对目标材料的亲和力而将候选序列范围缩小至很少的几个。其他设计方法包括模拟某种矿物（如羟基磷灰石和二氧化硅）对某种天然蛋白质所具有的特定亲和力，或利用高通量计算筛选工具（如Rosetta）来指导蛋白质的合成和多肽的设计。大多数设计方法的成功，其实取决于对氨基酸与目标材料之间相互作用的机理的认识。而有效利用SBP的主要挑战就在于，利用多肽序列及其在不同长度时所表现出的功能间关系。

美国华盛顿大学化学工程系的Jim Pfaendtner教授等，通过分析三个封端氨基酸，即精氨酸（碱性氨基酸，5个C原子，带正电荷）、赖氨酸（碱性氨基酸，6个C原子，带正电荷）和天冬氨酸（酸性氨基酸，4个C原子，带负电荷），在四种二氧化钛界面上的结合，阐明了该结合与TiO2表面羟基、氨基酸电荷和肽结构的关系。他们用分子动力学模拟TiO2与肽的结合，发现当水在表面解离时会促进羟基产生，促进肽与之结合，表明有利的溶液条件可促进生物分子的吸附。当肽在表面取平坦构型时，肽与TiO2表面的接触更多，结合力更强，反之，则肽只在TiO2表面延伸而较少接触。因此，可用潜在的工程学方法对肽作定点突变，以使其构象变平坦，来改造肽与TiO2的结合特异性。这项研究可以激发特定蛋白质的合理设计，以使这些蛋白质可以识别TiO2的表面，从而增加医学植入物的生物相容性。实现这一目的的方法之一是在肽的特定位点引入TiO2通用结合剂精氨酸基团。方法之二是提高TiO2表面的羟基分布。

Molecular recognition and specificity of biomolecules to titanium dioxide from molecular dynamics simulations

Janani Sampath， Andrew Kullman， Rachel Gebhart， Gary Drobny & Jim Pfaendtner

Titania （TiO2） is used extensively in biomedical applications; efforts to boost the biocompatibility of TiO2 include coating it with the titania binding hexamer， RKLPDA. To understand the binding mechanism of this peptide， we employ molecular dynamics simulations enhanced by metadynamics to study three amino acids present in the peptide—arginine （R）， lysine （K）， and aspartate （D）， on four TiO2 variants that have different degrees of surface hydroxyl groups. We find that binding is a function of both sidechain charge and structure， with R binding to all four surfaces， whereas the affinity of K and D is dependent on the distribution of hydroxyl groups. Informed by this， we study the binding of the titania binding hexamer and dodecamer （RKLPDAPGMHTW） on two of the four surfaces， and we see strong correlations between the binding free energy and the primary binding residues， in agreement with prior experiments and simulations. We propose that the discrepancies observed in prior work stem from distribution of surface hydroxyl groups that may be difficult to precisely control on the TiO2 interface.

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