탄소 나노튜브의 콜레스테롤 도메인 제거 효과: 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 연구

콜레스테롤은 인체 세포에서 가장 중요한 지질 종 중 하나로, 생체막의 물리적 특성을 조절하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 또한, 콜레스테롤은 혈류 내에서 리포단백의 구성 성분으로 순환하며, 인체의 림프액에서도 발견됩니다. 콜레스테롤이 생물 시스템에서 수행하는 역할에 관한 연구는 풍부하게 이루어졌습니다 [1]. 세포막 기능에 필수적인 콜레스테롤이지만, 과다한 양은 건강에 해로울 수 있습니다.

예를 들어, 이는 도메인 형성으로 시작되어 거품 세포를 거쳐 혈관 내 플라크 침착을 유발합니다 [2]. 초기 단계에서 플라크 침착의 전구물질인 과다 콜레스테롤 분자를 제거하는 새로운 방법에 대한 연구는 분자 의학에서 중요한 주제이며, 저희 시뮬레이션은 이 문제와 관련이 있습니다. 이러한 맥락에서 저희는 수중 환경에서 물과 상호작용할 때 중요한 성분인 친수성을 가진 탄소 나노튜브를 선택했습니다.

탄소 나노튜브와 콜레스테롤의 상호작용에 대한 연구는 초기 단계에 있으며, 지금까지 매우 단순한 나노 시스템에 국한되어, 오직 나노튜브와 콜레스테롤 분자만 존재하는 시스템에 한정되었습니다 [3, 4]. 본 연구에서는 더 현실적이고 복잡한 생물 시스템 조각에 대한 조사를 위한 한 걸음을 내디뎠으며, 특히 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 탄소 나노튜브가 물 환경에서 특정 외세포 단백질 주위에 콜레스테롤 분자가 형성하는 도메인의 역학에 미치는 영향을 탐구했습니다.

분자 동역학(MD) 시뮬레이션은 NAMD 2.6 프로그램 [5]과 모든 원자의 CHARMM 힘 필드 [6]를 사용하여 NVT (입자 수, 부피, 온도 일정한) 군집에서 생리적 온도 T = 309 K에서 수행되었습니다.

CHARMM 힘 필드는 다음과 같은 항을 포함합니다:

마지막 두 항은 식 (1)에 설명된 시스템의 총 잠재 에너지 V 총의 비분자 상호작용 부분으로, 분자 간 하모닉 스트레칭 V 결합, 하모닉 각 V 각, 토르션 V 다이헤드럴 항입니다.

비분자 상호작용은 레나드-존스 12-6 잠재력 V vdW로 모델화된 반더발스 힘과 콜롬브 상호작용 V 콜럼브로 구성됩니다 (표 1 참조).

충분한 에너지 보존을 보장하기 위해 모든 시뮬레이션 실행에 대해 시간 단계가 ∆t = 0.5 fs로 설정되었습니다. 표준 NAMD 통합기(브룽거-브룩스-카플러스 알고리즘) [4]가 사용되었습니다. 예를 들어, 외세포 도메인 단백질 1LQV가 선택되었습니다 (Protein Data Bank 참조 [7]). 1LQV 단백질은 혈관 내피 세포의 얇은 층에 존재하며, 이는 순환 혈액과 혈관 벽의 나머지 부분 사이의 인터페이스를 형성합니다. 따라서 우리는 인체 혈관 내부의 단백질을 선택했습니다.

콜레스테롤 분자는 원자 수준에서 모델링되었습니다. 그림 1은 시뮬레이션에 사용된 콜레스테롤 분자 모델을 보여줍니다. 콜레스테롤 분자의 원자 전하는 [8]에서 가져왔습니다. 우리는 1LQV 단백질 표면에 21개의 콜레스테롤 분자를 배치했습니다. 물 환경을 생물 샘플과 유사하게 만들기 위해, TIP3 모델의 15,000개의 물 분자가 추가되었습니다 [9].

단백질, 콜레스테롤, 물 분자로 구성된 군집은 직사각형 시뮬레이션 상자(x = 115 Å, y = 58 Å, z = 78 Å)에서 주기적 경계 조건 하에 310^6 시간 단계 동안 평형화되었습니다 [10]. 모든 비분자 상호작용의 절연 거리는 13 Å로 설정되었습니다. 평형화 후, 시스템은 510^6 시간 단계 (2.5 ns) 동안 시뮬레이션되었습니다. 궤적 및 속도 데이터는 40시간 간격으로 수집되었습니다…

탄소나노튜브가 콜레스테롤 분배에 미치는 영향: 컴퓨터 시뮬레이션 연구

본 컴퓨터 실험의 목적은 탄소나노튜브(CNT)가 단백질 표면에 퍼진 콜레스테롤 분자의 분포에 영향을 미치는지 확인하는 것이었다. 먼저, 1LQV 엔도세럴 단백질, 콜레스테롤 및 물 분자로 구성된 시스템에 대한 MD 시뮬레이션을 수행하여 참조 데이터를 수집했다.

다음으로, 개방형(끝이 없는), 팔각형(10, 10) 단벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 시스템에 추가했다. SWCNT는 원자 수준에서 모델링되어 내부 자유도를 허용하여 나노튜브의 탄소 원자의 진동을 가능하게 했다. 탄소나노튜브의 기본 원자 유형으로는 CHARMM 유형의 아로마틱 탄소[6, 11]가 선택되었다. SWCNT 원자에 대한 힘장 매개변수는 테이블 1에 제시되어 있다(참조 [11]).

초기 단계에서, SWCNT는 콜레스테롤 도메인의 중심에서 14Å 떨어진 곳에 배치되었고, 10^6 시간 단계 동안 시스템은 균형화되었다. 균형화된 후의 시스템 구성은 그림 2에 보여준다. 스티어드 MD 시뮬레이션(SMD, 참조 [5])을 수행하여 SWCNT를 콜레스테롤 숙주 근처로 이동시켰다(그림 3 참조). 이후, 2.5 ns 생산 실행이 이루어졌고, MD 데이터는 5*10^6 시간 단계 동안 수집되었다. 이전 사례와 마찬가지로 단지 1LQV 단백질, 콜레스테롤 및 물만 존재했기 때문에, 나노튜브가 있는 시뮬레이션은 주기적 경계 조건(x = 115Å, y = 58Å, z = 78Å) 하에서 수행되었고, 데이터는 40 시간 단계마다 수집되었다.

…(본문이 길어 생략되었습니다. 전체 내용은 원문 PDF를 참고하세요.)…