石墨烯与色氨酸相互作用模式的分子模拟研究

童明琼，刘 鹏，孙 婉，范 娜，王晓玥

(1.德州学院 医药与护理学院，山东 德州 253023；
2.德州学院，山东 德州 253023)

近年来，纳米材料作为基因载体[1]的研究为肿瘤治疗提供了新的方案。石墨烯本身具有稳定性好、比表面积大的特性，其功能性氧化物又兼具良好的分散性、生物相容性、较高的载药率等优点，随着不同官能团及药物分子在纳米材料的结合可行性被证明，石墨烯由于其特性被认为是潜在的药物载体[1]。将氧化石墨烯作为运载siRNA的载体，通过GO-R8/anti-HER2(GRH)，构建GRH/siRNA体系，在实验中表现出了高效的肿瘤抑制作用。功能化氧化石墨烯除了可以负载siRNA外，还可以负载质粒等其他基因药物，以便提高抗癌药物的靶向作用和选择特异性。目前，石墨烯及其衍生物被广泛应用于药物载体、生物传感器、生物成像及组织工程等方面[2]。虽然石墨烯及其衍生物的应用发展迅速，为生物医药等方面的应用提供了更多的可能，但目前对其研究并不成熟，还存在诸多问题需要解决，因此进一步研究石墨烯的性质及作用机理意义重大。

氨基酸作为人体的主要组成部分，也是蛋白质、核酸以及酶等生物分子的重要组成单元，并对静电、疏水等共价作用起着一定调节作用，因此全面了解石墨烯和氨基酸的对接作用对于研究不同生物分子与功能化氧化石墨烯的结合具有重要的指导意义。此外，虽然目前有研究报告称石墨烯在生物运输应用中有很好的适应性和实用性，但在分子水平对石墨烯与氨基酸的相互作用的研究还远远不够[3]，本文在分子层面构建所需石墨烯及有关氨基酸的分子模型并对其进行分子对接，在分子层面对其进行分析研究，恰恰填补了这一空缺。

本次研究的主要目的在于确定两种尺寸的石墨烯(C62H20，C186H36)与色氨酸(Trp)的最优结合模式。分析的基本方法是通过Gaussian程序包构建并优化上文所述的石墨烯及氨基酸，并通过AutoDock进行对接并分析对接复合物的能量、结合模式等，以此作为判断石墨烯作为氨基酸载体的选择性和有效性依据。

目前常用的分子对接软件有许多，包括AutoDock、Dock、3D-Dock、Fred等，本次模拟试验主要采用AutoDock，它是一款开源的分子模拟软件，被广泛应用于配体与蛋白质分子间的对接[4]。在对接过程中，为了在充分节省计算资源的情况下又能得到稳定可靠的计算结果，AutoDock将基于格点能量的计算方法和有效的扭转自由度搜索方法相结合来解决此问题。AutoDock软件包由Auto Grid和AutoDock两个程序组成，其中AutoGrid用来计算格点中的能量，而AutoDock则用来搜索并评价有关构象。在初始版本中，AutoDock通过模拟退火算法来搜索对接分子的最佳耦合结构，并使用半经验自由能计算方法来评估受体和配体之间的匹配情况。后期，作者改进了算法，产生了拉马克遗传算法(LGA)，通过研究，LGA具有比传统的模拟退火和遗传算法更高的执行效率，利用LGA可以快速准确地搜索最高结合亲和性的位置。另外，为了提高计算速度，AutoDock采用格点对接，在这些格点之间保存受体和探针原子之间的相互作用，并且基于格点式的快速能量评估方法评估受体和配体之间的能量匹配。在算法优化中仍存在某些局部问题的极小误差，为了减少这些误差，得到比较准确的结果，需要进行多次计算，本次实验中我们对构建的分子盒进行了300次的计算。

本文采用密度泛函理论，首先用Gauss View5.0构建了色氨酸(Trp)、大尺寸石墨烯(CL)、小尺寸石墨烯(CS)三种分子的模型，并通过Gaussian09程序进行B3LYP/6-31G水平上的优化，得到了两种分子最稳定的构象模型。

本次对接我们采用的是刚性对接的对接方法，即石墨烯与氨基酸的对接只在空间位置和姿态上发生了改变，结构上并无变化。关于对接过程，我们共进行了300次的对接计算，平均分为A、B、C三组，每组100次。在分子对接理论中，能量越低，分子结合越稳定，因此我们采用筛选能量的方法进行最优结合构象的选择。在这三组中，首先我们对每一组进行单独分析，根据AutoDock的程序设定，综合能量越低的优势构象会在结果播放窗口中越靠前，因此我们选择了每组数据的第一组构象作为本组最优并进行能量数据分析，见下表1。

表1 最优构象能量表

从表1的数据中我们发现，在ABC三组中，每组的最优构象能量都是一致的，研究发现，Trp与小尺寸石墨烯CS的结合能为-4.62 kcal/mol，与大尺寸石墨烯CL的结合能为-4.92 kcal/mol，表明Trp与大尺寸石墨烯CL的结合更稳定。依据对接得到的300组构象和结合能的比较结果，我们分别得到了CS-Trp 和CL-Trp复合物优势构象，即每组中的第一个构象。在每组复合物优势构象中选择了三组位于碳环上的原子进行距离统计，用平均值代替对接复合物中石墨烯与色氨酸分子间的距离，统计如下表2。

表2 复合物中石墨烯与氨基酸之间的距离

在本此研究中，我们采用分子对接技术研究了大小两种尺寸的石墨烯，即CS(C62H20)、CL(C186H32)与色氨酸(Trp)的结合模式。通过比较能量的方法选择出了两组最稳定的复合物优势构象，其结合能分别为-4.62 kcal/mol(CS-Trp)和-4.92 kcal/mol(CL-Trp)。优势构象中色氨酸与大尺寸石墨烯CL的距离小于色氨酸与小尺寸石墨烯CS的距离，距离越近，其π-π堆积作用也越强，因此我们认为大尺寸石墨烯更易于结合色氨酸。