利用AutoDock模擬富勒烯與漆酶結合模型的研究*

汪偉軒，白一彤，陳凌云，楊勝韜

(西南民族大學化學與環境保護工程學院，四川　成都　610041)

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利用AutoDock模擬富勒烯與漆酶結合模型的研究*

汪偉軒，白一彤，陳凌云，楊勝韜

(西南民族大學化學與環境保護工程學院，四川成都610041)

富勒烯是典型的sp2碳納米材料，研究其生物效應有重要的科學意義。本文以白腐菌分泌酶系中重要的漆酶為模型，采用AutoDock計算模擬了富勒烯C60與漆酶的結合模型，并計算了結合能。計算模擬的結果顯示，C60在漆酶上有9個可能的結合位點，其中最優位點的結合能為-10.4 kcal/mol。這一結果表明富勒烯能與酶結合，引起酶結構和活性的變化。本文還對富勒烯與酶結合的潛在環境生物效應進行了探討。

AutoDock；富勒烯；漆酶；構象；納米生物效應

近年來，sp2碳納米材料受到科學界和產業界的廣泛關注，因為sp2碳納米材料具有獨特的結構和優異的性能[1]。sp2碳納米材料可以在能源、電子、材料、器件、生物、環境等諸多領域應用，是最具應用潛力的納米材料之一[2]。僅以環境領域為例，sp2碳納米材料可以用于污染物吸附[3]、芬頓催化氧化[4]、電解氧化[5]等。隨著sp2碳納米材料的大規模研究、生產與應用，其生物安全性也日益受到人們的重視。已有許多研究表明sp2碳納米材料對環境、生物體有潛在威脅[6]。在這些安全性研究中，sp2碳納米材料與蛋白質的相互作用受到關注，因為蛋白是生命的基礎[7]。如果蛋白質的結構和功能受到sp2碳納米材料影響，將導致毒性和其他危害。

富勒烯是一種重要的sp2碳納米材料。富勒烯特別適合于研究sp2碳納米材料與蛋白質的相互作用，原因包括：富勒烯粒徑較小，容易分散；富勒烯C60結構完全對稱，適合于分子對接研究；富勒烯易于修飾，適合研究化學修飾對sp2碳納米材料-蛋白結合的影響。已經有一些報道研究富勒烯與蛋白質的相互作用。例如，Yang等[8]報道羥基化富勒烯抑制溶菌酶的活性，并引起溶菌酶的構象變化。Wu等發現羥基化富勒烯的羥基化程度和碳籠大小對富勒烯-蛋白質相互作用有明顯的影響[9]。

白腐菌是生態系統中重要的物種，可以降解纖維素，對碳循環至關重要[10]。漆酶是白腐菌分泌的酶系中重要的組成，具有很強的氧化代謝能力。本文以漆酶為模型，通過AutoDock計算C60與漆酶的結合模型和結合能，為全面理解富勒烯的環境生物學效應提供基礎數據。

1　實　驗

1.1漆酶分子構建

首先，通過檢索的資料，查到了漆酶的PDB代碼(3KW7)，在RCSB蛋白庫(Research Center of Sequence Bank)中，搜索代碼，找到PDB文件下載。

為了便于計算，需要先對受體分子(即漆酶)進行一些必要的處理。首先，使用Pymol軟件除去酶中所含的一些雜原子，保存為.pdb文件。使用AutoDock讀取保存過的.pdb文件。在系統中，選中所有水分子，并刪除，然后對其進行加氫處理。通過軟件對漆酶中的各個元素的電荷進行調整，使用系統默認值。最后，手動給漆酶中的銅離子添加電荷，另存為.pdbqt格式文件。計算出的結合模型用Pymol進行渲染做圖。

1.2富勒烯分子構建

使用Chem3D軟件，直接從軟件提供的模板中提出富勒烯的分子模型，保存為.pdb文件。用AutoDock軟件來打開配體分子，對該分子進行初始化。根據實驗的需求對分子所含的化學鍵進行精確的處理，設置fewest atoms為0，將其保存為含有原子坐標、ADT原子類型、電荷以及可扭轉鍵等關鍵信息的.pdbqt格式的文件。

1.3分子對接

當配體分子(富勒烯)和受體分子(漆酶)的前期調整全部完成之后，調整具體的計算范圍以及計算的精度，其中格點間隔為默認值0.375 ?。設置Grid參數，xyz均為126，中心設置為(0, 0, 0)。將調整完成的Grid參數保存為.gpf文件，點擊計算。獲得對接結果，包括模型和結合能等信息。

2　結果與討論

2.1富勒烯-漆酶結合位點

AutoDock計算獲得了9個可能的富勒烯在漆酶上的結合位點(圖1)。從圖1可知，富勒烯與漆酶的結合都發生在漆酶表面，而非漆酶內部。富勒烯部分嵌入漆酶表面是結合的主要方式。9個結合位點的位置不同，位于漆酶的不同區域。其中位點1、2和4比較接近，位點3和5比較接近。

圖1　富勒烯C60-漆酶的結合位點

2.2富勒烯-漆酶結合能

AutoDock計算給出了9個結合位點的結合能。從表1可以看出，位點1的結合能最低，為-10.4 kcal/mol，因而位點1是熱力學上最可及的結合位點。比較不同位點與位點1的距離可知，位點1、2和4比較接近，是同一區域的不同構象。位點7雖然距離接近，但是從圖1可以看出與上述三個位點不在同一個區域。與文獻中富勒烯與其他蛋白的結合能相比，富勒烯-漆酶的結合能略高，說明富勒烯與漆酶結合較為穩固[8-9]。例如，羥基化富勒烯-RNase A的結合能為-6.5 kcal/mol，低于本文報道的值[9]。

表1　不同位點富勒烯-漆酶的結合能

2.3富勒烯-漆酶結合模型

經過能量比較可以知道，位點1為最佳結合位點。將這個結合模型用Pymol軟件渲染，獲得富勒烯-漆酶結合模型。在結合位點附近未發現可設為柔性殘基的帶芳環氨基酸，因此無需進行第二輪計算。該模型即為富勒烯C60與漆酶的結合模型。

圖2　富勒烯C60-漆酶的結合模型

從上面的分析可以看出，富勒烯可以與漆酶結合。由于富勒烯是疏水分子，富勒烯結合漆酶后，可能會導致漆酶構象和活性的變化，從而產生環境生物效應。從已有的納米材料-酶相互作用研究結果來看，絕大多數情況下納米材料與酶結合都導致酶活性的降低。因此我們推測，富勒烯與漆酶結合可能引起漆酶分解污染物活性的下降，進而可能影響碳循環，產生嚴重的生態后果。在未來的研究中，需要通過實驗方法來檢驗富勒烯對漆酶活性的影響，并開展相應的生態學研究。

3　結　論

本文以漆酶為例，研究了當富勒烯與漆酶結合的對接位點以及結合能。通過AutoDock計算軟件成功構建兩者對接的模型，得到了9種構象，最優位點的結合能為-10.4 kcal/mol。通過Pymol軟件渲染，發現位點附近并無可設置柔性的基團。本文的結果對研究富勒烯的環境生物效應將有積極的作用。

[1]Geim AK. Graphene: status and prospects [J]. Science, 2009, 324: 1530-1534.

[2]趙連勤, 張孝亮, 謝靜茹, 等. 水熱法制備三氧化二鋁摻雜石墨烯泡沫[J]. 西南民族大學學報(自然科學版), 2014, 40(6): 849-852.

[3]楊勝韜, 趙連勤. 石墨烯吸附材料的制備與應用研究進展 [J]. 西南民族大學學報(自然科學版), 2014(2): 203-218.

[4]王瑞玨, 劉瀟陽, 張孝亮, 等.四氧化三鐵-石墨烯復合芬頓催化劑用于染料脫色的研究[J]. 西南民族大學學報(自然科學版), 2015, 41(5): 588-592.

[5]Gilbertson LM, Goodwin DG Jr, Taylor AD, et al. Toward tailored functional design of multi-walled carbon nanotubes (MWNTs): Electrochemical and antimicrobial activity enhancement via oxidation and selective reduction [J]. Environ Sci Technol, 2014, 48: 5938-5945.

[6]Chang X, Yang S, Xing G. Molecular toxicity of nanomaterials [J]. J Biomed Nanotechnol, 2014, 10: 2828-2851.

[7]Yang S, Liu Y, Wang Y, et al. Biosafety and bioapplication of nanomaterials by designing protein-nanoparticle interactions [J]. Small, 2013, 9: 1635-1653.

[8]Yang S, Wang H, Guo L, et al. Interaction of fullerenol with lysozyme investigated by experimental and computational approaches [J]. Nanotechnology, 2008, 19: 395101.

[9]Wu X, Yang S, Wang H, et al. Influences of the size and hydroxyl number of fullerenes/fullerenols on their interactions with proteins [J]. J Nanosci Nanotechnol, 2010, 10: 6298-6304.

[10]Liu B-R, Jia G-M, Chen J, et al. A review of methods for studying microbial diversity in soils [J]. Pedosphere, 2006, 16: 18-24.

Binding Model of Fullerene-laccase from AutoDock Simulation*

WANGWei-xuan,BAIYi-tong,CHENLing-yun,YANGSheng-tao

(College of Chemistry and Environment Protection Engineering, Southwest University for Nationalities, Sichuan Chengdu 610041, China)

Fullerene is typical sp2carbon nanomaterials. It is very importment to study the bioeffect of fullerene. In this study, laccase, an important component of the enzymes secreted by white rot fungi, was taken as the model protein to simulate the binding model of fullerene-protein by AutoDock software and calculate the binding energy. There were 9 potential binding sites for C60on laccase. The binding energy for the best site was -10.4 kcal/mol. The computation results suggested that fullerene binding might lead to the conformational changes and activity loss of enzyme. The potential nano-bioeffect of fullerene was also discussed.

AutoDock; fullerene; laccase; confirmation; nano-bioeffect

國家自然科學基金青年基金(No.201307101)。

汪偉軒(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為納米材料的環境效應。

楊勝韜(1985-)，男，博士，副教授，從事納米材料的環境生物安全性研究。

O641.3

A

1001-9677(2016)07-0050-03