生物、医药研究应用案例

时间:2014-04-02

 

线性标度DFT+U方法研究肌红蛋白的配体辨识机理
Reference:J. Phys. Chem. Lett. 3, 1448 (2012)
所用模块:ONETEP
      肌红蛋白是肌肉组织中负责储氧的球状蛋白质。剑桥大学的研究人员采用线性标度DFT+U方法,选择包含53个残基的肌红蛋白模型(超过1000个原子),计算和比较了其中亚铁离子3d电子向O2、CO的轨道转移的情况,远端残基H64和V68与O2、CO的氢键能量以及空间相互作用。H64和V68与O2间更强的氢键作用被证实是蛋白质环境下,肌红蛋白与CO的结合能力较其与O2的结合能力显著降低的主要原因。计算中引入哈伯德U值以及更多的残基,有效地提高了O2、CO与亚铁离子的结合能以及与H64和V68的氢键能量的计算精度,这是传统密度泛函方法、分子力学或者量子力学/分子力学杂化方法难以实现的。这一研究为蛋白质电子结构的解析以及作用能的精确计算提供了一种有效的新方法。
 
图1 计算中所涉及的三种不同大小的肌红蛋白模型。橘红色和红色分别为Fe和氧配体原子
 
 
 
人体皮肤的多尺度研究 
Reference:CURR. NANOSCI. 7, 736 (2011)
所用模块:Mesoprop、Mesocite(DPD)、Amorphous cell、Forcite Plus
      深入了解皮肤角质层结构以及结构与渗透剂、载体的相互作用对于设计新型透皮药物以及评估其健康风险至关重要。 Accelrys公司的研究人员利用宏观、介观以及微观三个不同时空间尺度的模拟方法对药物分子在角质层中的传输行为进行了模拟研究。宏观有限元模拟基于角质细胞—脂类基质的两相复合模型,得到了指定药物渗透率与细胞厚度以及湿度的关系;介观动力学模拟关注细胞间的脂类基质,不仅获得了合理的脂质片层结构,也发现伴随着亲油性的增加,分子在其中扩散性的增强;微观动力学模拟则关注非极性微颗粒对神经酰胺双分子层结构的影响,虽然脂质分子的回转半径减小,但是稳定体系的氢键作用没有明显变化。整个工作为我们提供了一个理论研究角质细胞以及药物输运的范例,是实验工作的进一步延伸。
 
图1. 六边形角质细胞和脂质基质构成的宏观模型
 
图2. 介观动力学模拟中脂质基质里各种分子的粗粒化模型
 
图3. 微观原子尺度模型
 
 
 
药物缓释领域中pH敏感胶束微观结构的耗散粒子动力学研究
Reference: Macromolecules 43, 7839 (2010)
所用模块:Blends 、Amorphous cell、Forcite Plus、Mesocite (DPD)
      pH敏感聚合物胶束作为能够用于癌症治疗的“聪明”药物输送载体得到了广泛的研究。但是,不同pH值下药物控释机制却不甚明了。华南理工大学的研究人员采用耗散粒子动力学(DPD)方法探讨了pH值对阿霉素DOX药物分子(药物载体为胆固醇分子HR20-Chol)释放速率的控制机制。研究表明,pH<6.0时,药物分子与载体自组装所形成的胶束具有疏松结构,利于药物分子的释放;pH>6.0时,胶束形成致密结构,不利于药物分子释放。模拟结果与实验一致,说明DPD模拟方法能够成为分析和设计药物输送体系的强有力工具。
 

图1. DOX与HR20-Chol自组装所形成胶束的形貌(a、c)及延胶束径向的各组分密度分布图(b、d)。
(a、b)代表pH>6.0的情况;(c、d) 代表pH<6.0的情况;其中粉色珠子代表DOX