石墨烯及其氧化物与细胞膜的相互作用的分子动力学模拟研究外文翻译资料

 2022-12-31 12:40:55

石墨烯及其氧化物与细胞膜的相互作用的分子动力学模拟研究

原文作者：Junlang Chen，Guoquan Zhou，Liang Chen，Yu Wang，Xiaogang Wang and Songwei Zeng 单位：School of Sciences, Zhejiang A amp; F University, Linrsquo;an 311300, China School of Information and Industry, Zhejiang A amp; F University, Linrsquo;an 311300, China Key Laboratory of Chemical Utilization of Forestry Biomass of Zhejiang Province, Zhejiang A amp; F University, Linrsquo;an, 311300, China

摘要：石墨烯纳米片由于其特殊的性能而在各种生物医学应用中显示出越来越广泛的研究前景。与此同时，最近的实验表明石墨烯具有抗菌活性或细胞毒性，可引起细胞膜损伤。因此，了解石墨烯与细胞膜之间的相互作用以避免其不良反应是有必要的。在这里，我们使用分子动力学模拟来研究这些相互作用。结果表明，原始石墨烯可以很容易地渗透到双分子层中而且对细胞膜的完整性没有影响。当氧化石墨烯嵌入细胞膜中时，一些脂质从细胞膜流出到氧化石墨烯表面，导致孔隙的形成并使水分子流入细胞膜中。细胞膜中原始石墨烯和氧化石墨烯之间的差异来源于氧化石墨烯的含氧基团，这种含氧基团增强了脂质在氧化石墨烯表面的吸附。但是，氧化石墨烯和细胞膜之间的主要相互作用仍然是由其疏水区域和双分子层脂质尾部之间的强分散作用决定的。因此，由于氧化石墨烯的疏水区域被聚合物所掩盖，它的毒性减弱。研究结果可能为更好地设计基于氧化石墨烯的纳米载体或抗生素以及其他生物医学应用提供新的视角。

1. 引言

具有优异性能的二维原始石墨烯和氧化石墨烯在各种生物医学应用中，如生物传感器、酶固定化和药物传递中具有不断增长的潜力。在进行这些应用之前，了解其细胞毒性以及石墨烯纳米片与细胞膜之间的相互作用是至关重要的。许多实验表明，基于石墨烯的纳米粒可以通过毒性很小或不引起细胞膜损伤的直接渗透或内吞作用进入细胞。例如，聚乙烯亚胺修饰的氧化石墨烯与质粒DNA非共价结合，可以进入HeLa细胞进行细胞内转染。PEI-GO复合物的细胞毒性试验显示低毒性。此外，在聚乙二醇化氧化石墨烯的细胞摄取中未观察到细胞膜破裂。氧化石墨烯作为理想的药物纳米载体具有广阔的前景。

另一方面，石墨烯可引起细胞膜损伤或降解并进一步导致细胞死亡。通过测量悬浮红细胞中血红蛋白的流出（表明细胞膜被破坏的指标），Liao等人发现氧化石墨烯具有很强的溶血活性，而用壳聚糖包被的氧化石墨烯几乎失去了溶血活性。Omid Akhavan和Elham Ghaderi推测，膜的损坏是由细菌和石墨烯极其锋利的边缘直接接触引起的，通过评估两种细菌（革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌）的RNA流出量也得到了类似的结果。而且，他们的实验证明还原的氧化石墨烯比氧化石墨烯的毒性更大。然而，刘等人进行的实验显示了相反的结果，氧化石墨烯对相同细菌（大肠杆菌）具有比还原的氧化石墨烯更强的抗菌活性。

由于上述实验研究相矛盾的发现，计算机模拟被用来研究石墨烯与细胞膜之间的相互作用。例如，Tu等人进行的分子动力学模拟表明，由于石墨烯和脂质尾部之间的强分散作用，石墨烯可以从细胞膜中提取大量磷脂。通过CG分子动力学模拟，Titov等人揭示了石墨烯可以被吸附并沉积在细胞膜的中心。石墨烯-膜杂化物非常稳定，就像三明治一样。Guo等人使用CG模型和耗散粒子动力学模拟，研究了石墨烯纳米片的尺寸和边缘在其跨脂质双分子层转运中的作用。他们发现通过跨双分子层侧向压力驱动的嵌入和循环，小石墨烯渗透到双分子层中心。但是，与Tu的结果不同，在以上两个CG分子动力学模拟中均未发生脂质提取或细胞膜破裂。

显然，在石墨烯与细胞膜之间的相互作用上仍然未达成共识，石墨烯是否会引起细胞膜损伤还存在争议。此外，当前的模拟研究主要集中在原始石墨烯上，而实际上氧化石墨烯由于具有更好的水溶性，在生物学实验中代替原始石墨烯被采用。在这里，我们进行了分子动力学模拟，以研究原始石墨烯和氧化石墨烯在细胞膜内外的行为。我们观察到，原始石墨烯可以迅速进入膜内并停留在其基底平面与脂质尾部平行的位置。当氧化石墨烯渗透到双分子层中时，细胞膜破裂，一些脂质从细胞膜流出到氧化石墨烯表面，导致孔隙的形成并使水分子流入细胞膜中。这种脂质提取和水分子孔隙的形成可能为氧化石墨烯的细胞毒性和抗菌活性提供了新的分子机制。

2. 方法

使用石墨烯纳米片在水合双分子层上进行分子动力学模拟。建立了三种原始石墨烯和氧化石墨烯，如图1所示。

图1.三种尺寸的原始石墨烯和氧化石墨烯的原子结构。 （a，d）小尺寸：2.1times;2.1 nm2。 （b，e）中尺寸：3.1times;4.1 nm2。 （c，f）大尺寸：3.7times;5.4 nm2。 配色方案：青色（C），红色（O），白色（H）。

一种比双分子层厚度小得多，一种接近双分子层厚度，另一种大于双分子层厚度。氧化石墨烯是基于C10O1（OH）1（COOH）0.5的分子模型构建的（即每20个碳原子在石墨烯基面的两侧都有两个环氧基和两个羟基，边缘有一个羧基），这在分子动力学模拟中被广泛使用。完全水合的双分子层是由Tieleman和Berendsen发现的。使用两种脂质双分子层。一种由128种DPPC脂质组成，用于小的原始石墨烯或氧化石墨烯，另一种由256种脂质组成，用于中、大片。DPPC脂质和石墨烯的力场参数取自Berger组。原始石墨烯或氧化石墨烯基底面的碳原子键合参数取自Patra组，其中C-C键长为1.42A，120°的C-C-C弯曲键角和C-C-C-C平面二面角由弹簧常数分别为1.350times;105 kJ mol- 1nm、223.2 kJ mol-1 rad和13.18 kJ mol–1的谐波电位维持。将石墨烯中的碳原子视为不带电的Lennard-Jones球，其截面sigma;cc= 0.34 nm，势阱深度εcc= 0.36 kJ / mol。羟基、羧基和环氧基的参数取自GROMOS53a6与DPPC脂质相容的丝氨酸，谷氨酸和二烷基醚的力场。水由简单点电荷（SPC）模型表示。使用Gromacs软件包4.5.5在等温-等压集成（NPT）下执行所有模拟。使用粒子-网格Ewald (PME)方法计算远程静电相互作用，而vdW相互作用用1.0 nm的光滑角质处理。使用V-rescale恒温器将温度稳定在323 K，并通过Berendsen恒压器将压力半全同性控制在1 bar。石墨烯和细胞膜之间的键长受LINCS算法限制，积分时间为2 fs。在所有方向上都使用周期性边界条件。

3. 结果与讨论

A：模拟结果：原始石墨烯。在这三个独立的模拟中，原始石墨烯最终渗透到细胞膜中。以最小的原始石墨烯为例来说明其易位，我们使用COM距离（表示为d）和原始石墨烯与细胞膜之间的倾斜角theta;（theta;= 0°或90°分别表示原始石墨烯与细胞膜平行或垂直）来监测此过程，可以大致分为四个阶段（见图2b）。最初，将原始石墨烯垂直放置在细胞膜外，d = 3 nm。在最初的10 ns内，原始石墨烯在水溶液中随机振荡。同时，theta;急剧变化并且可以达到从0°到90°的每个可能值。在接下来的29 ns中，原始石墨烯平放在细胞膜与水之间的界面上（参见t = 21 ns时的快照）。但是，从t = 39到40 ns，原始石墨烯迅速“跳入”双分子层。然后，原始石墨烯在剩余的模拟时间内停留在其中。我们以不同的初始配置重复了模拟，并且仍然观察到了快速插入（参见支持信息，图S1）。进入细胞膜后，原始石墨烯只能保持垂直，并且theta;接近90°并有轻微波动。

原始石墨烯快速插入脂质双分子层中是由原始石墨烯与脂质尾部之间的疏水性和强分散性相互作用驱动的。因此，我们计算了原始石墨烯和双分子层的相互作用能。在这里，相互作用能定义为原始石墨烯和细胞膜之间的vdW相互作用。

能量曲线与COM距离曲线呈现出相同的趋势（见图2b，c）。双分子层内外原始石墨烯的能量差约为600 kJ/mol。显然，能量的急剧下降使原始石墨烯快速吸附到细胞膜上。一旦原始石墨烯进入细胞膜，除了可忽略不计的波动外，所有三个参数都保持稳定，这表明石墨烯-膜杂化物的结构是高度稳定的。

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图2.小颗粒原始石墨烯进入脂质双分子层的典型轨迹。(a)关键时间点的快照。端基中的碳(青色)、氧(红色)、氮(蓝色)和磷(褐色)原子表示为球体，而酰基链表示为动态键。原始石墨烯被描述为一种绿色粘合的薄片。水分子用紫色表示。(b, c) COM距离(黑色)、倾斜角度(红色)、原始石墨烯与细胞膜相互作用能的时间变化。

为了更好地了解原始石墨烯在细胞膜中的取向，我们找到了原始石墨烯与脂质双分子层之间最可能的倾斜角和COM距离。图3显示了原始石墨烯进入双分子层后d和theta;的直方图及其对应的相互作用能。我们观察到d的可能值不是0而是0.6 nm（见图3a）。由于双分子层的上下小叶之间存在间隙，因此位于膜中心的始石墨烯在能量上并不是最有利的。当d = 0.6 nm时，石墨烯最大程度地被脂质尾部包裹，这与它们的相互作用能一致（图3b）。我们计算每1度倾斜角的频率，并计算出相应的相互作用能，如图3c，d所示。theta;的最可能值接近86°，这意味着原始石墨烯更倾向于垂直放置在细胞膜中。

图3.细胞膜中原始石墨烯的最可能取向。原始石墨烯和脂质双分子层进入细胞膜后的COM距离(a)和倾斜角度(c)的直方图，以及(b和d)对应的相互作用能。

为了确定原始石墨烯在细胞膜中最可能的取向，我们将原始石墨烯垂直放置或平放在细胞膜中心进行了另外两个模拟，如图4a，b所示。在系统a中，整个模拟发现theta;接近90°。然而，在系统b中，原始石墨烯在最初的20 ns内随着theta;从0°到90°的增加而逐渐旋转（见图4c）。在剩余时间内，原始石墨烯与系统a垂直位于同一位置，这表明细胞膜中垂直定向的原始石墨烯非常稳定。这种稳定的结构与Titov的模拟不同。Titov揭示了石墨烯-膜结构非常稳定，就像一个双分子层中间夹着原始石墨烯的三明治。但是，很明显，平铺的原始石墨烯在能量上并不有利。如图5d所示，在最初的20 ns中，系统b中原始石墨烯和DPPC双分子层之间的相互作用能比系统b高约100 kJ/mol。原始石墨烯旋转到垂直状态后，两个系统的相互作用能彼此非常一致。

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图4. 原始石墨烯的轨迹垂直地位于细胞膜的中心(a)或平铺(b)。(c)倾斜角和(d)两种体系中原始石墨烯与细胞膜的相互作用能。

图5.脂质双分子层中较大的原始石墨烯的插入。(a, b)中尺寸原始石墨烯的初始和最终结构。(c, d)大尺寸原始石墨烯的初始和最终结构。

另一方面，尺寸较大的原始石墨烯最初位于薄膜中心时，由于受到局部极小值的影响，不能自由旋转。因此，我们人工加入了不同倾斜角度的原始石墨烯，然后计算了它们的相互作用能，如图6所示。垂直位于膜中心的原始石墨烯高度稳定且在能量上有利这与最小原始石墨烯的结果一致（见图3d）。

图6.(a)每个倾斜角度的快照。(b)随着倾斜角度从0°增加到85°，脂质双分子层与原始石墨烯(中等大小)的相互作用能相应增加。

B.模拟结果：氧化石墨烯。与原始石墨烯的快速插入不同，氧化石墨烯在模拟过程中始终保留在端基与水之间的界面处。图7b显示了1000 ns模拟的最终快照。我们观察到，氧化石墨烯的一半插入了双分子层，而另一半则在水中。氧化石墨烯进入膜的困难主要是由于含氧基团使氧化石墨烯更加亲水，因此氧化石墨烯更倾向于亲水界面而不是疏水双分子层。

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图7.氧化石墨烯向脂质双分子层扩散的轨迹。(a)初始配置。(b)最后的快照。(c)氧化石墨烯与细胞膜间COM距离的时间演化。红色虚线表示磷原子上叶的平均z坐标，代表水与细胞膜界面的中心。

然而，氧化石墨烯仍然可以通过细胞的内吞作用进入细胞膜。我们构建了两个独立的系统，其中氧化石墨烯被垂直和水平地嵌入到双分子层结构中。与细胞膜中的原始石墨烯相似，氧化石墨烯在细胞膜中随着尺寸的增加越来越难以旋转。最小的氧化石墨烯的结果显示在图8中（中、大尺寸氧化石墨烯的结果在支持信息中给出，图S2和S3）。有趣的是，在这两个系统中，氧化石墨烯都旋转到倾斜状态，并且一些脂质从细胞膜中流出到氧化石墨烯的表面，导致孔隙形成和水分子流入细胞膜中。 在前25 ns内，第一个体系的倾角从90°下降到45°，第二个体系的倾角从0°上升到45°，如图9a所示。同时，形成水分子孔隙（见图8d，h）每个系统中约有60或15个水分子进入细胞膜（见

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