黃須啟，李曉毅

(中國科學院大學材料科學與光電技術(shù)學院， 北京 100049) (2017年4月10日收稿； 2017年5月19日收修改稿)

自組裝[1-8]是在納米尺度或微觀尺度上構(gòu)建有序結(jié)構(gòu)的一個自發(fā)過程，在自組裝過程中，小分子主要借助非共價鍵相互作用形成納米顆粒。隨著科技的發(fā)展，納米生物技術(shù)[9-12]備受關(guān)注，其中納米載藥系統(tǒng)是國際生物技術(shù)領(lǐng)域的前沿課題，在治療一些疾病如癌癥、寄生蟲感染等方面，有著廣泛的應用和產(chǎn)業(yè)化的前景。研究載體材料與核酸藥物的復合過程、絡(luò)合強度、納米復合物的穩(wěn)定性及對核酸藥物的保護作用有著重要的意義。針對常規(guī)季胺化聚合物包裹DNA進入細胞后難以解離導致轉(zhuǎn)染效率低的問題，給予腫瘤細胞內(nèi)高濃度的活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)，Liu等[13]設(shè)計了4-溴甲基苯硼酸季胺化的陽離子聚合物(B-PDEAEA)載體。這種載體不僅可以穩(wěn)定地結(jié)合DNA，而且在高活性氧化自由基環(huán)境下失去正電荷有利于釋放出游離的DNA。這種載體在細胞水平相比于PEI的轉(zhuǎn)染效率提高1～2個數(shù)量級，具有較高的抗血清能力，且毒性較小。因此，設(shè)計所得藥物的抗癌效率遠高于傳統(tǒng)的抗癌藥物。為了研究自組裝過程，研究人員用許多先進實驗方法來分析結(jié)構(gòu)變化，如X射線衍射(XRD)[14]、核磁共振波譜(NMR)[15]、掃描隧道顯微鏡(STM)[16]、激光散射[17]等。盡管DNA與B-PDEAEA的納米粒子體系在實驗上已經(jīng)取得了一些成果，但在分子水平上對其形成機理的研究還很少。計算機模擬為研究復雜體系的自組裝行為提供了另一種途徑，通過模擬可以研究DNA與B-PDEAEA的自組裝過程。

1 計算方法

4-溴甲基苯硼酸季胺化的陽離子聚合物的單體結(jié)構(gòu)如圖1所示，4-溴甲基苯硼酸季胺化的陽離子聚合物的單體模型通過Gaussian09[18]構(gòu)建并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過Gaussian09計算其RESP電荷，硼酸的力場參數(shù)來源于Tafi等[19]和Rohit等[20]的工作；DNA通過VMD軟件[21]建模得到。

注：C(gray), N(blue), B(pink), O(red), H(white)。圖1 B-PDEAEA單體結(jié)構(gòu)Fig.1 Monomer structure of B-PDEAEA

所有的模擬都使用NAMD2.9軟件[22]計算。本文采用NVT系統(tǒng)，溫度為300 K，壓力為1 atm。采用CHARMM36力場，應用隱式水溶劑，排除策略為Scale 1-4，使用SHAKE算法控制含氫原子的共價鍵為剛性。范德華力截斷值設(shè)置為16 ?，積分步長為2.0 fs，模擬時間為10 ns。采用隱式水溶劑，可以減少體系的原子數(shù)，忽略溶劑的摩擦效應，加快構(gòu)象的變化。為了研究DNA的堿基對數(shù)目和體系的N/P對自組裝的影響，選取6個體系進行研究，如表1所示。

表1 模擬系統(tǒng)

注：N是分子的聚合度。

2 結(jié)果與討論

通過10 ns的模擬計算，6個體系中P3、P5、P6自組裝形成穩(wěn)定聚集體，而P1、P2、P4沒有形成穩(wěn)定的聚集體。從分子結(jié)構(gòu)分析，4-溴甲基苯硼酸季胺化的陽離子聚合物中季胺基團攜帶正電荷，而DNA攜帶有少量的陰離子。因此，靜電相互作用在自組裝過程中占有舉足輕重的作用。圖2給出體系中各部分的非鍵相互作用。

注：VDW(范德華相互作用)，ELE(靜電相互作用)。圖2 VDW和ELE所占比例Fig.2 Proportions of VDW and ELE

由圖2中可知靜電相互作用(electrostatic interaction，ELE)所占比重超過99%，靜電相互作用是該自組裝過程的主要驅(qū)動力，而范德華相互作用(Van der Waals，VDW)的貢獻非常小，只占0.31%。在相同的堿基對的情況下，由于季胺基團攜帶正電荷，隨著N/P的增加，靜電的相互作用力顯著增強，體系越容易趨向于形成穩(wěn)定的聚集體。當N/P相同時，隨著堿基對數(shù)目的增加，DNA攜帶的負電荷數(shù)目少量增加，靜電相互作用增強。

實驗結(jié)果[13]表明，在一定范圍內(nèi)，當堿基對數(shù)目較少時，不易于形成穩(wěn)定的聚集體，隨著N/P和堿基對數(shù)目的增加，體系趨向于形成穩(wěn)定的聚集體。模擬體系的最初構(gòu)型中，DNA分子在體系的中心，B-PDEAEA分子隨機地分散在體系中，隨著模擬時間的延長，不同的體系呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，如圖3所示。

注:B-PDEAE為藍色,DNA為紅色。圖3 體系在10 ns時的截圖Fig.3 Snapshots of system at 10 ns

P1、P2、P4沒有形成穩(wěn)定的聚集體，仍然處于較為松散的狀態(tài)，其中P1的形態(tài)最為松散；P3、P5、P6都能夠自組裝形成聚集體。通過對比6個體系，當堿基對數(shù)目不變時，隨著N/P的增加，體系越容易趨向于形成穩(wěn)定的聚集體;當堿基對數(shù)目不變時，隨著N/P的增加，體系也更趨向于形成穩(wěn)定的聚集體。表明B-PDEAEA分子隨著DNA的堿基對數(shù)目和N/P的增加，在水溶液中更容易發(fā)生聚集。隨后，聚集體構(gòu)型逐步調(diào)整達到平衡，形成穩(wěn)定的圓形納米球。

為了分析自組裝體系的聚集狀態(tài)，本文分析均方回轉(zhuǎn)半徑與模擬時間的變化曲線。如圖4(a)所示，P1、P2、P4體系中B-PDEAEA分子的Rg值呈現(xiàn)波動上升狀態(tài),其中P1波動幅度最大；P3、P5、P6體系中B-PDEAEA分子回轉(zhuǎn)半徑的變化先逐漸降低后處于上下震動狀態(tài)，沒有大幅度的變化，說明P3、P5、P6體系逐漸趨向于穩(wěn)定。如圖4(b)所示，DNA回轉(zhuǎn)半徑基本沒有變化，Rg值一直穩(wěn)定在某個值左右，表明不論模擬時間怎么變化，DNA的結(jié)構(gòu)基本不會受到影響。

圖4 均方回轉(zhuǎn)半徑隨時間的變化Fig.4 Temporal evolution of Rg

為了更好地研究自組裝聚集體中B-PDEAEA的分布狀態(tài)，分析B-PDEAEA分子圍繞DNA的質(zhì)心位置的徑向分布函數(shù)，從圖5可以發(fā)現(xiàn)與上述相似的結(jié)果。P1、P2、P4的曲線有多個峰值，B-PDEAEA分子分布較為分散，其中P1的徑向分布函數(shù)有多個峰值，而且最大峰值對應的距離值最大，因此體系的分散程度最大；P3、P5、P6只有一個峰值，峰值對應的距離值較小，B-PDEAEA分子環(huán)繞在DNA附近，聚集度較高。在相同的堿基對數(shù)目情況下，隨著N/P的增加，體系更趨向于形成穩(wěn)定的聚集體；在相同的N/P的情況下，隨著堿基對數(shù)目的增加，P4、P5體系中的聚集程度相對P1、P2有一定的提升。

圖5 B-PDEAEA分子圍繞DNA的質(zhì)心位置的 徑向分布函數(shù)Fig.5 Radial distribution function of B-PDEAEA from the center of mass of DNA

為進一步說明不同體系中B-PDEAEA的分布情況，分析最后1 ns時間內(nèi)6個體系質(zhì)心距離隨時間的變化。如圖6所示，P1、P4體系的質(zhì)心距離波動幅度較大，其他體系沒有出現(xiàn)大幅波動的情況；P3的質(zhì)心距離值最小，最為穩(wěn)定。

圖6 B-PDEAEA和DNA質(zhì)心距離隨時間的變化Fig.6 Temporal evolution of centroid distances for B-PDEAEA and DNA

3 結(jié)論

本文采用分子動力學的方法，研究B-PDEAEA與DNA的自組裝過程。通過10 ns的模擬計算可知，P1、P2、P4沒有形成穩(wěn)定的聚集體，仍然處于較為松散的狀態(tài)；P3、P5、P6都能夠自組裝形成聚集體，該結(jié)果與已報道過的實驗結(jié)果[13]完全相符。通過兩組對照實驗表明，在相同DNA堿基對數(shù)目的情況下，隨著N/P增加，體系更趨向于形成聚集體。在一定范圍內(nèi)，相同的N/P的情況下，隨著DNA堿基對數(shù)目增加，體系更趨向于形成自組裝納米粒子。因此，N/P和DNA堿基對數(shù)目是影響體系自組裝的重要因素。

本文的計算結(jié)果是在中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心超級計算中心的“元”超級計算機上得到的。