探测带电纳米表面附近的蛋白质取向以辅助生物传感器设计
摘要
蛋白质 - 表面相互作用在生物过程和生物工程中无处不在，但尚未被完全理解。在生物传感器中，决定灵敏度乃至器件性能的关键因素是配体分子在生物活性器件表面的取向。因此，吸附研究旨在确定如何通过表面制备来影响取向。在本工作中，我们利用隐式溶剂模型下的 Poisson-Boltzmann 方程，在静电效应下获得了带电纳米表面附近的蛋白质取向。通过对蛋白质 GB1D4' 在相对于带电表面的一系列倾斜角和旋转角下的自由能进行采样，我们计算了蛋白质取向的概率并观察到了偶极行为。这一结果与已发表的实验研究一致，同时也与针对该小蛋白结合的 Monte Carlo 和分子动力学模拟结果一致，从而验证了我们的方法。与生物传感器技术更相关的是，由于抗体（如免疫球蛋白 G）尺寸巨大，对其进行分子模拟仍然是一个严峻挑战。我们获得了不同表面电荷和盐浓度下同种型 IgG2a 的取向概率分布。先前的研究发现该同种型没有优先取向，这与同种型 IgG1 不同，后者被认为具有较大的偶极矩因而更易控制。我们发现，当表面正电荷为 0.05 C/m 或更高且盐浓度为 37 mM 时，IgG2a 的优先取向有利于生物传感。结果还表明，对于该蛋白质，局部相互作用主导了偶极矩的影响。因此，利用我们的方法（及开源代码）进行数值研究，可指导制造工艺的改进或配体分子的蛋白质工程，以获得更有利的取向，从而有助于提高免疫测定的灵敏度。
引用
@article{arxiv.1503.08150,
title = {Probing protein orientation near charged nanosurfaces for simulation-assisted biosensor design},
author = {Christopher D. Cooper and Natalia C. Clementi and Lorena A. Barba},
journal= {arXiv preprint arXiv:1503.08150},
year = {2016}
}
备注
14 pages, 10 figures -- This version is revised post peer review, and supersedes all previous ones. Note that v3 was reduced considerably from the previous ones, due to the material being split in two papers. Another preprint was submitted (arXiv:1506.03745) with the material that was cut of this paper, corresponding to how the papers were submitted to peer-reviewed journals