一种预测污染物与生物膜之间相互作用的方法技术

本发明专利技术属于环境风险评估领域，公开了一种预测污染物与生物膜之间相互作用的方法。具体实施步骤包括构建反应体系、优化结构、模拟作用过程、计算相互作用能、判断反应机制。引入拟有机相正辛醇替代生物膜DPPC，采用分子动力学模拟方法分析污染物在正辛醇和DPPC中的跨膜过程，快速简化地计算体系间的相互作用能，探究吸附作用机制，该方法突破不使用生物暴露进行污染物毒性作用潜在性研究的可能性，获得污染物和有机相之间相互作用和跨膜信息，有助于分子反应的可视化，为揭示分子间相互作用机制提供有力的技术支撑。提供有力的技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种预测污染物与生物膜之间相互作用的方法


[0001]本专利技术属于环境风险评估领域，具体涉及一种预测污染物与生物膜之间相互作用的方法。

技术介绍

[0002]随着人们环保意识的增强，促使人们更多地关注和重视因暴露途径多样和在环境中较高的检出频率带来的环境污染问题。污染物可直接与生物的膜受体和蛋白质结合，导致化学性损失，引发生物毒性效应。目前所采用的生物毒性测试方法包括体外试验和体内试验，用来发现毒物对有机生命体的危害程度。体内试验对受试生物需求量大、成本较高和试验周期长，根据环境伦理动物实验3R原则：减少(reduce)实验动物数量、替代(replace)实验动物和优化(refine)实验程序的规定，既要满足人们对动物的道德关切，又要保障科学的发展。
[0003]在当前环境下，计算机模拟程序相比于动物毒性试验具有预测能力强、非生物实验性、节省时间和准确度较高等优点。分子动力学(Molecular Dynamics，MD)模拟是计算机软件中模拟程序的一种方法，根据实际理论的指导而进行的一种虚拟实验，并且与实验所获得的结果往往拥有非常高的一致性，目前已经得到了广泛认可和应用。磷脂双分子层(Dipalmitoylphosphatidylcholine，DPPC)是构成细胞膜的基本支架，由于其具有许多优良的力学和生物性能，目前已被作为模型膜利用MD模拟法研究化合物与生物膜之间的相互作用。由于DPPC存在结构复杂、计算周期长等问题，因此具有一定的局限性。亟需一种既遵循环境伦理道德，同时快速获得可与实验结果相比较的简化计算方法。
[0004]正辛醇
‑
水分配系数(Octanol
‑
Water Partition Coefficient，Kow)是表征化合物在有机相进入生物相之间的重要环境参数，已广泛应用于农药、化工产品分离与提纯、生态毒理学等领域来预测环境中污染物的毒性。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术在避免使用生物暴露进行污染物毒性作用潜在性研究可能性的前提下，提供一种预测污染物与生物膜之间相互作用的方法，利用正辛醇作为拟有机相替代DPPC提高污染物与生物膜之间相互作用预测效率，实现了污染物与生物膜间相互作用的快速计算，大大缩短了计算周期，提高运算速度，为广大研究者分析污染物跨膜和毒性作用提供简便快速的计算方法，以及可用于预测验证的非使用生物试验的替代试验方法。
[0006]本专利技术以正辛醇替代磷脂双分子层(DPPC)进行分子动力学的模拟，研究污染物和正辛醇之间的相互作用。模拟采用Materials Studio 8.0软件，构建和优化正辛醇(C8H
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O)与污染物的反应体系，通过MD模拟作用过程计算相互作用能E，以E来判断污染物跨膜的难易程度。结合相关的毒性数据EC
50
值与相互作用能E判断污染物是直接与生物分子发生生物化学反应从而产生毒性作用完成跨膜，还是依赖正辛醇分配作用的相似相溶原理进行跨
膜。
[0007]本专利技术的上述目的是通过以下技术方案实现的：一种预测污染物与生物膜之间相互作用的方法，具体实施步骤包括：
[0008]1.构建反应体系
[0009]用Materials Studio 8.0软件，通过Modulesde的Amorphous Cell Calculation模块建立体系。主要步骤为在Setup模块下，Task选择Confined Layer，Quality选择Medium，Density(密度)输入正辛醇密度和污染物密度之和的平均值(单位：g/m3)。在Energy模块下，Forcefield(力场)选择COMPASS，Charges选择Forcefield assigned，点击Run，构建反应体系完成。
[0010]2.优化结构
[0011]选择Modulesde的Forcite Geometry Optimization模块，Algorithm选择Smart，Quality设置为Fine，Max.iterations设置为500，External pressure设为0.0GPa，关闭对话框，单击Run，关闭Forcite Calculation对话框，完成结构优化。
[0012]3.模拟作用过程
[0013]选择Modulesde的Forcite Dynamics模块，本研究中压力并非关键性因素，因此在Dynamics模块下具体操作步骤为Ensemble采用NVT(正则系综)，Initial velocities选择Random，Temperature(模拟系统温度)设置为298.0K。Time step(步长)设为1.0fs，每隔1.0fs记录一次运动轨迹，Total simulation time(模拟总时间)设置为1.0
×
104ps(输入1.0e4)，Number ofsteps(总步长)为1
×
107，Frame output every设为2000steps，每20000步输出一次图貌，收集数据。
[0014]4.计算相互作用能
[0015]利用步骤3收集的数据直接计算稳定构型下C8H
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O
‑
污染物体系之间的相互作用能E(单位为：kcal/mol)，计算公式如下：
[0016][0017]其中：E
总
为模拟后的体系总能量，E
物质
为模拟后的单独反应物质的能量，为正辛醇模拟后的能量，以上数值来自于步骤1
‑
3。
[0018]5.判断反应机制
[0019]以步骤4所述E值的大小来评价污染物跨膜的难易程度。E越大，吸附越稳定，吸附行为越容易发生；E为0或负值，吸附越难发生。比较毒性EC50值与相互作用能E判断污染物是直接与生物分子发生生物化学反应从而产生毒性作用完成跨膜，还是依赖正辛醇分配作用的相似相溶原理进行跨膜。
[0020]污染物和生物体发生作用必须先与生物体的膜结构进行接触，然后通过吸附在其表面再进行跨膜进入生物体。若呈现较弱的吸附作用则表明其跨越生物膜进入生物体内的可能性低。
[0021]污染物从生物体跨膜后会与活性蛋白或生物分子结合发生相互作用，干扰和破坏机体的正常生理功能，最终环境污染物对生物体表现出相应的毒性效应。
[0022]在水生生态风险评价中，研究有机污染物对水生生物的毒性作用模式十分重要。目前，有机污染物对水生生物的毒性作用模式可分为麻醉型和反应型2种类型
[1]。反应型化
合物是指化合物本身或者其代谢产物能与普遍存在于生物大分子的某些结构发生反应的有机物。麻醉型化合物是指在整个毒性作用过程中没有与有机体的各个靶位发生生物化学反应的化合物。反应型化合物毒性显著高于麻醉型化合物。麻醉型作用是通过化合物与细胞膜之间的某种非共价作用，可逆性改变了细胞膜的结构和功能，进而对有机体产生毒性作用
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预测污染物与生物膜之间相互作用的方法，其特征在于，具体实施步骤包括：S1.构建反应体系用Materials Studio 8.0软件，通过Modulesde的Amorphous Cell Calculation模块建立体系；主要步骤为在Setup模块下，Task选择Confined Layer，Quality选择Medium，Density输入正辛醇密度和污染物密度之和的平均值，单位为g/m3；在Energy模块下，Forcefield选择COMPASS，Charges选择Forcefieldassigned，点击Run，构建反应体系完成；S2.优化结构选择Modulesde的Forcite Geometry Optimization模块，Algorithm选择Smart，Quality设置为Fine，Max.iterations设置为500，Externalpressure设为0.0GPa，关闭对话框，单击Run，关闭Forcite Calculation对话框，完成结构优化；S3.模拟作用过程选择Modulesde的Forcite Dynamics模块，在该模块下具体操作步骤为Ensemble采用NVT，Initial velocities选择Random，Temperature设置为298.0K；Time step设为1.0fs，每隔1.0fs...

【专利技术属性】
技术研发人员：董玉瑛，李乐，赵英，陈玉婷，焦健，陈东纪，柏雨，
申请(专利权)人：大连民族大学，
类型：发明
国别省市：