Theory and Application of Polyelectrolyte Complexation

聚电解质络合理论与应用

基本信息

  • 批准号:
    1404046
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 42.94万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2014
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2014-05-01 至 2019-09-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PI: Wu, Jianzhong Proposal Number: 1404046 Institution: University of California-Riverside Title: Theory and Application of Polyelectrolyte ComplexationThis proposal seeks to calculate the properties of polymeric electrolytes that are central to bio-medically relevant systems, such as drug delivery, gene knockout, and viral replication. The goal of the computations is to establish a new calculational procedure capable of predicting the atomistic structure, thermodynamic stability, and environmental responses of polyelectrolyte complexes under various aqueous conditions. In addition, the PI will seek to validate the calculations, not just by comparison to highly idealized experimental systems, but to actually predict the properties of such systems as polypeptide-polypeptide interactions, which cannot otherwise be accomplished with conventional computational methods. This is an ambitious proposal that can have a significant impact on the fundamental understanding (and therefore rational design) of biologically and bio-medically important molecular systems that can lead to the design of improved drug delivery systems and gene-based technologies.At present, most of existing studies are based on conventional polymer theories that ignore local density inhomogeneity, explicit solvent effects, and long-ranged intra-chain and electrostatic correlations. The simplistic representations of the polymeric systems are useful to establish the basic rules of complex formation as well as qualitative or occasionally semi-quantitative features of the phase behavior of bulk polyelectrolyte systems. But the low-resolution structure and bulk phase transitions predicted by mean-field methods are often insufficient to describe the structure-activity relationships desired for practical applications. Development of reliable computational tools to predict the interaction between oppositely charged polymers lags far behind practical applications. In order to address these deficiencies, this proposal will attempt to advance the understanding of polyelectrolyte formation via a theoretical approach built upon recent progress from the PI's group on high-throughput free-energy calculations within the framework of the classical density functional theory (DFT), which will be generalized for polymeric systems using a new perturbation method proposed in this work. The goal of this project is to establish a new computational procedure capable of predicting the atomistic structure, thermodynamic stability, and environmental responses of polyelectrolyte complexes in various aqueous conditions. In addition, the PI will seek to validate the theory, not just by comparison to highly idealized experimental systems, but to actually predict the properties of complex molecular systems, such as polypeptide-polypeptide interactions, that cannot otherwise be accomplished with conventional computational methods. The proposed work will also identify and examine the thermodynamics that affect the stability and delivery efficacy of siRNA (small interfering RNA), a type of RNA used for knock-down of specific genes.
PI:吴建中 提案编号:1404046 机构:加州大学河滨分校 标题:聚电解质络合理论与应用该提案旨在计算对于生物医学相关系统(例如药物输送、基因敲除)至关重要的聚合电解质的特性和病毒复制。计算的目标是建立一种新的计算程序,能够预测各种水条件下聚电解质复合物的原子结构、热力学稳定性和环境响应。此外,PI将寻求验证计算,不仅通过与高度理想化的实验系统进行比较,而且实际预测此类系统的特性,例如多肽-多肽相互作用,这是传统计算方法无法实现的。这是一项雄心勃勃的提议,可以对生物学和生物医学上重要的分子系统的基本理解(从而合理设计)产生重大影响,从而可以设计改进的药物输送系统和基于基因的技术。大多数现有研究都是基于传统的聚合物理论,忽略了局部密度不均匀性、显式溶剂效应以及长程链内和静电相关性。聚合物体系的简单表示可用于建立复杂形成的基本规则以及本体聚电解质体系的相行为的定性或偶尔半定量特征。但平均场方法预测的低分辨率结构和体相变通常不足以描述实际应用所需的结构-活性关系。用于预测带相反电荷的聚合物之间相互作用的可靠计算工具的开发远远落后于实际应用。为了解决这些缺陷,该提案将尝试通过基于 PI 小组在经典密度泛函理论 (DFT) 框架内的高通量自由能计算方面最新进展的理论方法,增进对聚电解质形成的理解。 ,这将使用本工作中提出的新扰动方法推广到聚合物系统。该项目的目标是建立一种新的计算程序,能够预测聚电解质复合物在各种水性条件下的原子结构、热力学稳定性和环境响应。此外,PI 将寻求验证该理论,不仅通过与高度理想化的实验系统进行比较,而且实际预测复杂分子系统的特性,例如多肽-多肽相互作用,而这是传统计算方法无法实现的。拟议的工作还将确定和检查影响 siRNA(小干扰 RNA)稳定性和递送效率的热力学,siRNA 是一种用于敲低特定基因的 RNA。

项目成果

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