膜融合過程中陽離子-磷脂質的交互作用及其過度態生成的計算研究

背景：生物膜是非常複雜的異構系統，主要由不同種類的脂質所組成。生物膜在控制分區、運輸和訊 息傳遞功能上扮演著重要的角色。在特定條件下，膜可以互相融合，生成一個較大的膜。膜融合在生 物中扮演著一個重要的角色，包括細胞内的化學物質的運輸、回收、病毒感染和神經遞質的釋放等。 生物膜的研究在醫療應用上包括藥物輸送和基因療法。動機：雖然至今已有許多探討膜融合機制及脂質自組裝生成脂雙層膜或囊泡的研究，然而，對其分子 機制所知甚少。我們近期的研究顯示，鄰近雙鍵的二面角有著不尋常的快速轉動現象，可能在膜融合 與再組織過程中扮演著關鍵的角色。我們也發現鈣離子可和磷脂質形成錯合物並引發膜融合，然而， 同族兩價的鎂離子則沒有此效應。有鑑於此，利用全原子分子動態模擬在分子基礎下進行此過程的研 究是相當重要的。方法：此研究將利用量子化學計算、定溫分子動態模擬法、有效的象空間抽樣演算法-平行淬煉分子 動態法及結構分析進行計算。目標：我們主要的研究目標包含（1).研究造成鈣離子-磷脂質及鎂離子-磷脂質錯合物截然不同結合 強度的因素，（2).分析與詳細瞭解在膜融合過程中的過渡態的生成，特別是磷脂質的雙鍵附近的雙面 角的變化在膜融合中所扮演的角色，（3).分析與瞭解自發性的磷脂質聚集生成脂雙層膜與囊泡的分子 機制。以上的研究目標可以幫助我們對於生物膜的生理功能，有更深入的了解。廣泛影響：本計晝將可作為整合研究和教學的介面。本計晝使用和發展的計算及生物資訊方法將於研 究所課程中教授。中央大學計算科學基礎建設及生物分子模擬層次將獲得提升。不同學科研究所學生 也會受到完整的研究訓練，學習到如何研究生物膜問題。瞭解膜融合的生物物理機制將對其它研究領 域如藥學，工程，及奈米科學也有貢獻。本計晝為基礎研究，因此目前對直接的經濟效益尚難評估。