蛋白质与接枝聚环氧乙烷层相互作用的分子动力学模拟：两种实验体系的比较研究

为解决抗污材料设计中蛋白质-聚合物相互作用机制不清的问题，斯洛伐克科学院团队通过分子动力学模拟比较了外力驱动与自然状态下C1q蛋白片段与不同接枝密度聚环氧乙烷(PEO)层的相互作用。研究发现中等接枝密度下相互作用最优，揭示了β-折叠 destabilization 和310-螺旋形成等二级结构变化，为仿生材料设计提供了理论依据。

　　

在生物医学材料领域，如何防止蛋白质在材料表面非特异性吸附是开发抗污涂层的关键难题。传统实验方法通过外力将蛋白质压向聚合物表面的研究方式，与生物体内自然相互作用存在显著差异，这种差异是否会影响材料性能的评估一直缺乏系统研究。

斯洛伐克科学院聚合物研究所（Polymer Institute, Slovak Academy of Sciences）的Tomá? Hrivnák团队创新性地采用原子尺度分子动力学模拟，对比研究了外力驱动与自然状态下C1q蛋白片段与石墨烯接枝聚环氧乙烷(Poly(ethylene oxide), PEO)层的相互作用机制。该研究通过构建不同接枝密度的PEO模型体系，首次揭示了环境约束效应对蛋白质构象变化的深远影响，相关成果发表在《Biologicals》期刊。

研究主要运用全原子分子动力学模拟技术，通过AMBER力场参数化系统，模拟了C1q蛋白片段与三种不同接枝密度（低、中、高）PEO层的相互作用过程。采用拉伸动力学模拟外力驱动条件，并通过二级结构分析(DSSP算法)追踪蛋白质构象演变。

关键发现包括：

1. 接枝密度效应：中等密度(0.5 chains/nm²)的PEO层展现出最优的蛋白质相容性，既能有效阻隔蛋白质直接接触基底，又保持足够的链段活动性。

2. 构象重排机制：C1q的β-折叠含量下降12%，同时出现非经典的3₁₀-螺旋结构，这种二级结构转变与界面水分子介导的氢键网络重组直接相关。

3. 空间约束效应：低密度体系(0.2 chains/nm²)出现矛盾结果，揭示受限空间中PEO链的熵排斥效应主导蛋白质排斥。

4. 取向依赖性：当C1q以特定取向锚定在石墨烯表面时，其胶原蛋白结构域与PEO的接触概率提升40%。

这项研究从原子尺度阐明了聚合物接枝密度与蛋白质构象稳定的非线性关系，特别是发现3₁₀-螺旋作为构象转变中间态的重要作用。研究不仅为抗污材料设计提供了精确的接枝密度参数（0.4-0.6 chains/nm²），更重要的是建立了模拟生物自然接触条件的分子动力学研究范式，解决了传统强制接触实验可能导致的假阳性问题。研究结果对血液接触器械、植入材料表面改性具有重要指导价值，特别是为开发新一代仿生抗污涂层提供了理论设计依据。