仿生石墨烯纳米孔道中基因传递的多尺度模拟研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    21674032
  • 项目类别：
    面上项目
  • 资助金额：
    65.0万
  • 负责人：
    沈嘉炜
  • 依托单位：
    杭州师范大学
  • 学科分类：
    B0309.高分子物理与高分子物理化学
  • 结题年份：
    2020
  • 批准年份：
    2016
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Due to controllable size, capability of hydrophilic modification, superior mechanical properties and high stability to complex environments, graphene nanopore became advanced research topic in the field of ion, gene and drug delivery in biomimetic membrane in recent years. In this project, by application of quantum mechanics calculation, molecular dynamics simulation, steered molecular dynamics simulation and implicit solvent molecular dynamics simulation, we will focus on (1) the molecular mechanism of the interaction between chitosan and DNA as well as the assembling of chitosan-DNA nanoparticles; (2) the structure, stability, thermodynamics and translation dynamics of chitosan-DNA delivery system in biomimetic graphene nanopore under the condition of external electric field, force and pressure difference. Through the study of this complex system at different length and time scale, the understanding of chitosan-DNA delivery system in biomimetic nanopore and cell membrane could be improved. This could help the rational design and synthesis of chitosan with specific ligand and increase the stability of chitosan-DNA delivery system during the translation through cell membrane, and thus increase the transfection efficiency of chitosan-DNA delivery system and promote the research and application of gene delivery materials.
固体石墨烯纳米孔道因具有孔径大小可控、孔道可亲水修饰、优良的力学性能、复杂环境下的高稳定性等优异特性，近年来成为了仿生细胞膜中离子、基因、药物等传递的新的研究热点。在本项目中，申请人拟通过多尺度模拟，利用如量子力学计算、分子动力学模拟、拉伸分子动力学模拟、隐式溶剂分子动力学模拟等方法，主要研究（1）壳聚糖与DNA分子相互作用的分子机理、复合物纳米颗粒组装动力学；（2）在不同外加条件下（如电场、拉力、压力差等）壳聚糖–DNA复合体系在仿生石墨烯纳米孔道中传递的结构、稳定性、热力学和传递动力学性质等。在不同空间及时间尺度上对此类体系的研究，将帮助研究者理解壳聚糖基因传递系统在仿生纳米孔和细胞膜通道中传递的分子机理，合理地设计与合成接枝特异性配基的壳聚糖，增长壳聚糖–DNA传递系统跨膜传递过程中的稳定性，增加壳聚糖基因传递系统的转染效率，从而推动基因传递载体材料的研究和应用。

结项摘要

随着纳米材料在在生物材料、药物传递系统、生物医药、基因测序等领域的应用及飞速发展，石墨烯、MoS2及MoSe2等二维纳米材料孔道及碳纳米管、氮化硼纳米管等一维纳米孔道中DNA、药物、离子、水分子等的传递行为，尤其是传递过程中的热力学及动力学性质成为了当前研究的热点和难点。在本项目中，我们利用分子动力学模拟等计算机模拟方法，主要进行了以下三个方面的研究：（1）DNA及药物在壳聚糖等药物载体材料中的负载与释放；（2）DNA及药物在纳米孔道及细胞膜通道中的传递；（3）离子及水分子在石墨烯、MoS2及MoSe2等纳米孔道中的传递。通过以上几方面的研究，我们发现二维及一维纳米通道中的原子类型、电荷布居、孔道直径、化学修饰基团及密度等，以及外加电场、压力等都会对纳米孔道中DNA、药物、离子、水分子等的传递行为产生影响，在具体作用过程中表现为范德化力、静电相互作用、氢键网络、熵效应等各种微观作用力进行主导，或几种作用力协同调节的特点。对以上影响因素的调节，可调控DNA及其它小分子物质在纳米孔道中传递的热力学性质及动力学行为，从而合理地设计特异性修饰的壳聚糖等基因/药物递送系统和仿生纳米孔道，推动基因/药物递送系统的研究和应用。

项目成果

期刊论文数量（23）
专著数量（0）
科研奖励数量（1）
会议论文数量（0）
专利数量（0）
Molecular dynamics study on the encapsulation and release of anti-cancer drug doxorubicin by chitosan
壳聚糖包裹和释放抗癌药物阿霉素的分子动力学研究
  • DOI：
    10.1016/j.ijpharm.2020.119241
  • 发表时间：
    2020-04-30
  • 期刊：
    INTERNATIONAL JOURNAL OF PHARMACEUTICS
  • 影响因子：
    5.8
  • 作者：
    Li, Jiachen;Ying, Shibo;Shen, Jia-Wei
  • 通讯作者：
    Shen, Jia-Wei
Understanding the effect of chemical modification on water desalination in boron nitride nanotubes via molecular dynamics simulation
通过分子动力学模拟了解氮化硼纳米管化学改性对海水淡化的影响
  • DOI：
    10.1016/j.desal.2019.03.014
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    Desalination
  • 影响因子：
    9.9
  • 作者：
    Zhang Li;Jia Lingjie;Zhang Jing;Li Jiachen;Liang Lijun;Kong Zhe;Shen Jia Wei;Wang Xinping;Zhang Wei;Wang Hongbo
  • 通讯作者：
    Wang Hongbo
Molecular dynamics study on the mechanism of polynucleotide encapsulation by chitosan.
壳聚糖封装多核苷酸机理的分子动力学研究
  • DOI：
    10.1038/s41598-017-05197-0
  • 发表时间：
    2017-07-11
  • 期刊：
    Scientific reports
  • 影响因子：
    4.6
  • 作者：
    Shen JW;Li J;Zhao Z;Zhang L;Peng G;Liang L
  • 通讯作者：
    Liang L
Investigation of the morphological transition of a phospholipid bilayer membrane in an external electric field via molecular dynamics simulation
通过分子动力学模拟研究外部电场中磷脂双层膜的形态转变
  • DOI：
    10.1007/s00894-017-3292-1
  • 发表时间：
    2017-04-01
  • 期刊：
    JOURNAL OF MOLECULAR MODELING
  • 影响因子：
    2.2
  • 作者：
    Kong, Zhe;Wang, Hongbo;Shen, Jia-Wei
  • 通讯作者：
    Shen, Jia-Wei
Understanding the size effect of graphene quantum dots on protein adsorption
了解石墨烯量子点对蛋白质吸附的尺寸效应
  • DOI：
    10.1016/j.colsurfb.2018.11.059
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    Colloids and Surfaces B: Biointerfaces
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    Zhou Mengdi;Shen Qiyin;Shen Jia-Wei;Jin Lehong;Zhang Li;Su Quan;Hu Quan;Liang Lijun
  • 通讯作者：
    Liang Lijun

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沈嘉炜的其他基金

壳聚糖作为难溶性抗癌药物递送材料的计算机模拟和分子设计研究
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    22378090
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  • 项目类别：
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    青年科学基金项目

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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