计算机模拟已经成为科学研究的重要手段,而在蛋白质界面吸附的模拟研究中急需一种介于传统全原子尺度和胶粒尺度间的合适的粗粒化模拟方法,因全原子模拟仍受限于计算资源,而胶粒模型则难以有效保留蛋白的天然结构。为此,本工作探寻了一种适用于研究更大空间尺度和更长时间尺度的复杂生物界面体系的方法,即基于BMW-MARTINI力场的介观粗粒化模拟方法,并采用该方法针对溶菌酶吸附体系展开了一系列的验证和应用。主要内容和要点如下:1.在介观时间尺度下,系统性地研究了溶菌酶在不同性质(疏水、亲水、两性离子、负电和正电)表面上的吸附行为。模拟结果表明:(1)溶菌酶在疏水表面的变性程度要远大于在亲水表面;(2)在疏水表面,溶菌酶的活性位点朝向表面,而在亲水表面则朝向溶液;(3)两性离子表面能很好地阻止蛋白质的非特异性吸附,而中性亲水表面上,溶菌酶可逆吸附;(4)在低离子强度下,溶菌酶易于穿透水层并吸附到负电表面,但无法靠近正电表面;而高离子强度时,正电表面上方形成的反号氯离子层,可促使净电荷为正的溶菌酶也能吸附到同电性的正电表面。因为该反号离子水化层可与溶菌酶的正电残基相互作用,使其无需穿透水层就能实现间接吸附,同时其还可提升溶菌酶吸附取向的稳定性;(5)溶菌酶表面存在一个主要的正电势中心(特别是其中的ARG128残基),其对溶菌酶在带电表面的吸附起到了关键的主导作用。2.疏水性电荷诱导层析(Hydrophobic Charge Induction Chromatography,HCIC)是一种新型混合模式的层析方法,充分结合了疏水和静电作用,并可通过调节pH实现蛋白质的分离纯化。介观粗粒化模拟表明:(1)在疏水表面,因溶菌酶长轴两端疏水域的驱动,使其主要以“top end-on”和“bottom end-on”两种取向吸附;(2)在解吸过程中,“top end-on”取向的洗脱难度要大于“bottom end-on”取向;(3)在吸附过程中,提高配基密度可加速并增强溶菌酶的吸附;(4)配基中正电基团的密度分布,是配基密度影响解吸难易的关键;(5)提高离子强度会使溶菌酶的吸附取向分布变宽,也会使洗脱效率降低。该部分研究在分子水平和介观微秒时间尺度上理解了HCIC的内在机制,并为HCIC实际过程中操作条件的优化和新型配基的设计提供了指导。3.纳米材料的表面曲率会影响蛋白质吸附结构的稳定性,然而曲率效应的影响机制尚不清晰。通过介观粗粒化模拟,探索了表面曲率及离子强度对单个溶菌酶在二氧化硅纳米粒子(Silica Nanoparticles,SNPs)上吸附行为的影响。结果表明:(1)SNPs的表面曲率越小,溶菌酶的取向稳定性越好,但其构象损失也越大;(2)SNPs的表面曲率越大,其周围的第一水化层就越松散,这应是SNPs大小不同致使溶菌酶吸附行为改变的内在原因,而跟溶菌酶与SNPs间的直接接触面积并无本质关联;(3)由于SNPs的强负电性,使离子强度对溶菌酶在其上吸附的影响较小。4.蛋白质与纳米材料形成的蛋白质冠共轭体,可用于生物医药、生物传感器、生物催化和生物矿化等领域。本章进一步实现了需要大空间尺度的蛋白质冠体系的模拟,并探讨了蛋白浓度及离子强度对溶菌酶在不同大小SNPs上吸附行为的影响。模拟表明:(1)溶菌酶浓度增大有利于其在SNPs上吸附构象的维持,且溶菌酶之间形成的环状或哑铃状聚集体对其结构稳定性也有利;(2)通常SNPs越小,溶菌酶浓度增大对其吸附取向的影响越大,但在吸附过程中若溶菌酶形成哑铃状聚集会不利于取向稳定,而若形成环状聚集体则可提升取向稳定性;(3)离子强度的增大,可减小溶菌酶的结构损失,还可加速溶菌酶在SNPs吸附过程中的相互聚集,从而可调节溶菌酶聚集体的形成。总的来说,本论文提出了一种既准确又快速(比传统全原子模拟要快100倍以上)的方法,可用于模拟更大空间尺度和更长时间尺度的蛋白质冠复杂体系,并为高效的多尺度模拟方案的建立提供了支持。本论文不仅研究了蛋白质在各种不同物化性质表面的固定化机制或阻抗机理,还系统性地揭示了各种因素对蛋白质界面吸附内在机制的影响,为防污材料、生物分离、生物传感器、生物燃料电池、生物催化、生物矿化、生物诊断、生物医药等应用提供了分子水平上的理论指导。