一种调控酪氨酸二肽自组装结构的模拟方法

1.本发明涉及仿真技术领域，尤其是一种调控酪氨酸二肽自组装结构的模拟方法。


背景技术：

2.大多数纳米材料是无机的，与生物系统不相容。因此，迫切需要开发环境友好的有机半导体材料，用于传感器、微电子器件和生物移植等领域。肽分子是连接生物和非生物界的桥梁，由于肽分子中的原子具有空间有序性，这种结构特征确保了肽分子能够自组装成各种有序结构，如细丝、层和纳米管，如管状、板状、球状、丝状、棒状、轮辐状以及各种有序的图案等，形成的结构类型取决于许多因素，包括溶液的ph值、光照、温度、离子强度和溶剂选择等。这些纳米结构反过来可以作为制造具有不同性质的更复杂材料的基础。
3.在过去几十年中，许多肽分子及其衍生物的自组装结构广泛应用于纳米技术。目前针对酪氨酸二肽分子自组装的研究较少，相关实验难以预测其自组装结构，基于分子自组装的零维球状纳米结构还尚未见报道，且没有明确的机理能够解释其自组装原因，使得相关实验和应用缺乏理论依据。通过对自组装环境参数的调控，制备零维球状纳米结构或一维柱状纳米结构，在功能纳米材料和生物医学等领域有重要的指导意义。


技术实现要素：

4.本发明提出一种调控酪氨酸二肽自组装结构的模拟方法，能通过对自组装环境参数的调控，探究密度和温度对自组装的影响，通过分析不同环境参数下二肽自组装过程的结构演化，确定最适宜酪氨酸二肽自组装的密度和温度，并获得相应的零维或一维结构，对于酪氨酸二肽纳米结构的实验制备有重要的指导意义。
5.本发明采用以下技术方案。
6.一种调控酪氨酸二肽自组装结构的模拟方法，包括以下步骤；步骤s1、绘制单个酪氨酸二肽分子自组装结构的坐标文件并进行结构优化；步骤s2、以步骤s1的分子结构为基本单元，配置不同环境的自组装参数，获得可设置动力学平衡参数的体系；步骤s3、以步骤s2获得的体系为对象，设置动力学平衡参数，进行能量最小化和nvt、npt弛豫；步骤s4、对步骤s3得到的弛豫结构进行分子动力学模拟；步骤s5、归纳整合自组装结构，分析处理相应数据，得到适宜酪氨酸二肽自组装的参数条件及其纳米结构。
7.步骤s1中，酪氨酸二肽分子自组装结构的坐标文件为经gaussview软件构建的pdb模型文件，该模型文件以提供力场计算的公共平台进行结构优化以获得优化后的pdb文件和力场拓扑文件。
8.所述提供力场计算的公共平台为atb网站，网址为https://atb.uq.edu.au/。
9.步骤s2中，借助gromacs软件构建5
×5×
5nm3的立方体模拟盒子，通过添加不同的
链标识符，用以区分各个肽链；设置不同密度、不同温度的参数条件，并以此作为初始盒子进行相关模拟研究，其中密度设置范围为980.36~1008.38 g/l，温度设置范围为298~403k。
10.步骤s3中，所述能量最小化采用最速下降法，所述nvt和npt弛豫采用velocity rescaling method和parrinello-rahman法，动力学平衡参数的温度和压力分别维持在298k和1bar。
11.步骤s4中的模拟方法具体为进行40ns的分子动力学模拟，每隔100ps收集一次动力学轨迹和信息，采用vmd程序对轨迹信息可视化；模拟中水分子采用spc模型，二肽分子采用联合原子力场；模拟中采用lincs算法来约束分子键长，在三维方向上均采用周期边界条件，模拟步长设为2fs；另外，采用particle mesh ewald方法处理长程静电相互作用，非键相互作用的截断半径设置为1.4nm。
12.步骤s5中，对模拟结果通过gromacs软件计算二肽分子的溶剂可及表面积，当其曲线稳定在某一数值时，表明自组装已完成。
13.所述模拟方法还包括步骤s6，具体为：在vmd软件中根据.gro和.xtc轨迹文件分析二肽分子的运动轨迹，整理二肽分子的结构演化形貌，并计算相应非共价相互作用和氢键，研究自组装过程微观结构和相互作用的变化。
14.所述模拟方法基于分子动力学模拟调控酪氨酸二肽自组装参数条件，用于对制备相应的零维球状聚集体或一维柱状聚集体的方法进行模拟仿真，以对制备方法进行验证。
15.所述零维球状聚集体或一维柱状聚集体为纳米结构。
16.本发明针对现有技术难以从微观层面预测自组装结构的问题，提供了一种调控酪氨酸二肽自组装结构的模拟方法，通过对自组装环境参数的调控，探究了密度和温度对自组装的影响，通过分析不同环境参数下二肽自组装过程的结构演化，计算非共价相互作用对自组装的影响，确定最适宜酪氨酸二肽自组装的密度为985.45g/l和993.89g/l，温度为313-343k，并获得相应的零维或一维结构，对于酪氨酸二肽纳米结构的实验制备有重要的指导意义。
17.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1、本发明可获得原子层面的结构演化，揭示了恰当的密度和温度等环境参数的设置可获得球状或柱状等不同类型的酪氨酸二肽自组装结构；换句话说，985.45g/l和993.89g/l下的密度和313~343k的环境温度可作为络氨酸二肽自组装结构的调控参数。
18.2、本发明提供了一种分析肽分子自组装的研究方法和体系，可广泛应用于纳米技术领域。
附图说明
19.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：附图1是本发明一实施例中酪氨酸二肽分子的结构示意图；附图2是本发明一实施例中不同密度下的初始模型示意图；附图3是本发明一实施例中酪氨酸二肽分子自组装得到的稳定纳米结构示意图；附图4是本发明一实施例中酪氨酸二肽分子的回旋半径示意图；附图5是本发明一实施例中酪氨酸二肽分子计算的静电相互作用和范德华力示意图；
附图6是本发明一实施例中分子动力学模拟流程示意图；附图7是本发明一实施例中不同温度下体系的溶剂可及表面积示意图；附图8是本发明一实施例中不同温度下酪氨酸二肽自组装的纳米结构示意图。
具体实施方式
20.如图所示，一种调控酪氨酸二肽自组装结构的模拟方法，包括以下步骤；步骤s1、绘制单个酪氨酸二肽分子自组装结构的坐标文件并进行结构优化；步骤s2、以步骤s1的分子结构为基本单元，配置不同环境的自组装参数，获得可设置动力学平衡参数的体系；步骤s3、以步骤s2获得的体系为对象，设置动力学平衡参数，进行能量最小化和nvt、npt弛豫；步骤s4、对步骤s3得到的弛豫结构进行分子动力学模拟；步骤s5、归纳整合自组装结构，分析处理相应数据，得到适宜酪氨酸二肽自组装的参数条件及其纳米结构。
21.步骤s1中，酪氨酸二肽分子自组装结构的坐标文件为经gaussview软件构建的pdb模型文件，该模型文件以提供力场计算的公共平台进行结构优化以获得优化后的pdb文件和力场拓扑文件。
22.所述提供力场计算的公共平台为atb网站，网址为https://atb.uq.edu.au/。
23.步骤s2中，借助gromacs软件构建5
×5×
5nm3的立方体模拟盒子，通过添加不同的链标识符，用以区分各个肽链；设置不同密度、不同温度的参数条件，并以此作为初始盒子进行相关模拟研究，其中密度设置范围为980.36~1008.38 g/l，温度设置范围为298~403k。
24.步骤s3中，所述能量最小化采用最速下降法，所述nvt和npt弛豫采用velocity rescaling method和parrinello-rahman法，动力学平衡参数的温度和压力分别维持在298k和1bar。
25.步骤s4中的模拟方法具体为进行40ns的分子动力学模拟，每隔100ps收集一次动力学轨迹和信息，采用vmd程序对轨迹信息可视化；模拟中水分子采用spc模型，二肽分子采用联合原子力场；模拟中采用lincs算法来约束分子键长，在三维方向上均采用周期边界条件，模拟步长设为2fs；另外，采用particle mesh ewald方法处理长程静电相互作用，非键相互作用的截断半径设置为1.4nm。
26.步骤s5中，对模拟结果通过gromacs软件计算二肽分子的溶剂可及表面积，当其曲线稳定在某一数值时，表明自组装已完成。
27.所述模拟方法还包括步骤s6，具体为：在vmd软件中根据.gro和.xtc轨迹文件分析二肽分子的运动轨迹，整理二肽分子的结构演化形貌，并计算相应非共价相互作用和氢键，研究自组装过程微观结构和相互作用的变化。
28.所述模拟方法基于分子动力学模拟调控酪氨酸二肽自组装参数条件，用于对制备相应的零维球状聚集体或一维柱状聚集体的方法进行模拟仿真，以对制备方法进行验证。
29.所述零维球状聚集体或一维柱状聚集体为纳米结构。
30.实施例1：请参照图7，本发明提供一种调控酪氨酸二肽自组装结构的模拟方法，包括以下步
骤：在本实施例中，提供一种调控酪氨酸二肽自组装结构的模拟方法，包括以下步骤：（1）借助gaussview软件，绘制酪氨酸二肽分子坐标文件，保存为pdb文件格式并上传至atb网站进行结构优化，获得新的pdb文件和力场拓扑文件。
31.（2）借助gromacs构建5
×5×
5nm3的立方体模拟盒子，再将分子个数为15~55的酪氨酸二肽随机分布在盒子中，在其分子周围加水进行溶剂化，获得密度为980.36~1008.38 g/l的二肽水溶液，并以此作为初始盒子在进行相关模拟研究。
32.（3）采用最速下降法进行能量最小化，接着使用nvt、npt弛豫将溶质和溶剂分别耦合到外部温度浴和压力浴中。采用velocity rescaling method和parrinello-rahman法，温度和压力分别维持在298k和1bar。
33.（4）将体系分别进行40ns的分子动力学模拟，每隔100ps收集一次动力学轨迹和信息，采用vmd程序对轨迹信息可视化。模拟中水分子采用spc模型，二肽分子采用联合原子力场。模拟中采用lincs算法来约束分子键长，在三维方向上均采用周期边界条件，模拟步长设为2fs。另外，采用particle mesh ewald方法处理长程静电相互作用，非键相互作用的截断半径设置为1.4nm。
34.（5）对模拟结果进行分析，通过gromacs计算二肽分子的溶剂可及表面积，其曲线在较短的时间内骤降，随机稳定在某一数值，表明自组装已完成。
35.（6）在vmd软件中整理二肽分子的结构演化形貌，如图3，二肽分子在不同的密度下会形成一维纳米柱或零维的纳米球结构。计算相应非共价相互作用和二肽分子的回旋半径，如图5和图6所示，证实了密度会影响二肽分子在水溶液中的自组装行为。可利用密度对自组装进行调控，获得实验或应用需要的纳米结构。
36.实施例2：在本实施例中，提供一种调控酪氨酸二肽自组装结构的模拟方法，包括以下步骤：（1）借助gaussview软件，绘制酪氨酸二肽分子坐标文件，保存为pdb文件格式并上传至atb网站进行结构优化，获得新的pdb文件和力场拓扑文件。
37.（2）借助gromacs构建5
×5×
5nm3的立方体模拟盒子，构建密度为1002.33g/l的二肽水溶液，并以此作为初始盒子在进行相关模拟研究。
38.（3）采用最速下降法进行能量最小化，接着使用nvt、npt弛豫将溶质和溶剂分别耦合到外部温度浴和压力浴中。采用velocity rescaling method和parrinello-rahman法，压力维持在1bar，温度在298-403k范围内，以15k为增量，设置8个实验点，探究温度对自组装结构的影响。
39.（4）将体系分别进行40ns的分子动力学模拟，每隔100ps收集一次动力学轨迹和信息，采用vmd程序对轨迹信息可视化。模拟中水分子采用spc模型，二肽分子采用联合原子力场。模拟中采用lincs算法来约束分子键长，在三维方向上均采用周期边界条件，模拟步长设为2fs。另外，采用particle mesh ewald方法处理长程静电相互作用，非键相互作用的截断半径设置为1.4nm。
40.（5）对模拟结果进行分析，通过gromacs计算二肽分子的溶剂可及表面积，其曲线在较短的时间内骤降，随机稳定在某一数值，表明自组装已完成，如图7，证明酪氨酸二肽在298~358k能够完成自组装。
41.（6）在vmd软件中整理二肽分子的结构演化形貌，二肽分子在不同的温度下会形成一维纳米柱或零维的纳米球结构，如图8，结合图7分析可得313~343k为适宜酪氨酸二肽自组装的温度条件。
42.以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。