English
往期目录
新闻公告
More
化学进展 2010, Vol. 22 Issue (05): 845-851 前一篇   后一篇

• 综述与评论 •

分子模拟在生物传感器研究中的应用

王明华; 王剑平*   

  1. (浙江大学生物系统工程与食品科学学院  杭州 310029)
  • 收稿日期:2009-07-06 修回日期:2009-08-26 出版日期:2010-05-24 发布日期:2010-05-05
  • 通讯作者: 王剑平 E-mail:jpwang@zju.edu.cn
下载PDF ( 1539 ) 引用
导出 被引次数 ( 3 )

Application of Molecular Simulation in Biosensor Development

Wang Minghua; Wang Jianping*   

  1. (College of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China)
  • Received:2009-07-06 Revised:2009-08-26 Online:2010-05-24 Published:2010-05-05
  • Contact: Wang Jianping E-mail:jpwang@zju.edu.cn

分子模拟通常包括以量子力学和经典力学为基础的两部分，依赖于计算机的大量运算能力。其飞速发展渗透和推动了包括工程类学科以及化学、生物学等许多学科的发展。生物传感器是一个多学科交叉的研究热点.本文以计算机模拟研究中与生物传感器有关的内容作为切入点，简要介绍了计算机模拟技术的原理及生物敏感分子吸附和设计筛选、特异性生物反应过程的原理和优化等方面的研究成果，为应用计算机技术推动生物传感器的开发和应用提供了一些新的思路。

关键词： 分子模拟, 生物传感器, 设计, 吸附, 蛋白-配体相互作用

Molecular simulation is a computerized research approach based on strong calculated capacity. Molecular simulation is usually composed of quantum mechanics (QM) and molecular mechanics (MM), and it has been proved to be a useful tool in many research fields. Recently, as a highlight of multidisciplinary study, biosensor has attracted lots of researchers. Because of the growth of computational biologist research interest, a brief introduction of computer simulation theory at the molecular level and the simulation research findings on bio-molecule adsorption, design, screening, as well as specific biological interaction principle and features, which are related to the biosensor development, have been showed and analyzed in this review. Development trend in this field is also discussed for biosensor innovation.

Contents
1 Introduction
2 Molecular simulation on the computer
3 Computer simulation and biosensors
3.1 Adsorption of Biomacromolecule on electrode
3.2 Principle of protein-ligand interaction
3.3 Mathematical simulation of flow and diffusion process
3.4 Design and screening of biomacromolecules
3.5 pH dependence of protein-ligand complexes
4 Summary and prospects

Key words: molecular simulation, biosensors, design, adsorption, protein-ligand interaction

中图分类号: 

()

［1 ］ 张先恩( Zhang X E) . 生物传感器( Biosensors) . 北京: 化学
工业出版社( Beijing: Chemical Industry Press) ，2006. 1
［2 ］ Hao C，Yan F，Ding L，et al. Electrochem. Commun. ，2007，9
(6) : 1359—1364
［3 ］ Yang G，Cho N H. Food Sci. Biotechnol. ，2008，17 ( 5 ) :
1038—1046
［4 ］ Liu X，Song D Q，Zhang Q L，et al. Sensor. Actuat. B-Chem. ，
2006，117(1) : 188—195
［5 ］ Kim D K，Kerman K，Hiep H M，et al. Anal. Biochem. ，
2008，379(1) : 1—7
［6 ］ Ji J，O'Connell J G，Carter D J D，et al. Anal. Biochem. ，
2008，80(7) : 2491—2498
［7 ］ Lechuga L M，Tamayo J，Alvarez M，et al. Sensor Actuat BChem.
，2006，118(1 /2) : 2—10
［8 ］ Dahlin A B，Jonsson P，Jonsson M P，et al. ACS Nano，2008，
2 (10) : 2174—2182
［9 ］ Darain F，Park D S，Park J S，et al. Biosens. Bioelectron. ，
2004，19 (10) : 1245—1252
［10］ Labib M，Hedstrom M，Amin M，et al. Anal. Chim. Acta. ，
2009，634 (2) : 255—261
［11］ Chen Y Y，Zhang Q，Ding J D. J. Chem. Phys. ，2006，124
(18) : art. no. 184903
［12］ Dauberosguthorpe P， Roberts V A， Osguthorpe D J， et al.
Proteins，1988，4(1) : 31—47
［13］ Zhou P，Chen X，Shang Z C. J. Comput. Aid. Mol. Des. ，
2009，23(3) : 129—141
［14］ Shannon P，Markiel A，Ozier O，et al. Genome. Res. ，2003，
13(11) : 2498—2504
［15］ Janin J. Prog. Biophys. Mol. Bio. ，1995，64(2 /3) : 145—166
［16］ Tuckerman M E，Marx D，Parrinello M. Nature，2002，417
(6892) : 925—929
［17］ Cortassa S，Aon M A，Marban E，et al. Biophys. J. ，2003，84
(4) : 2734—2755
［18］ Nienhaus G U. Protein-Ligand Interactions: Methods and
Applications. New Jersey: Humana Press Inc. ，2005. 451—554
［19］ Karplus M，Petsko G A. Nature，1990，347(6294) : 631—639
［20］ 雷军( Lei J) ，张振军( Zhang Z J) ，刘斌( Liu B) 等. 高分子
通报( Chinese Polymer Bulletin) ，2005，12: 122—128
［21］ Tuckerman M E，Martyna G J. J. Phys. Chem. B，2000，104
(2) : 159—178
［22］ 胡凡(Hu F) ，郑学仿( Zheng X F) ，李钦宁( Li Q N) 等. 化学
学报(Acta Chim. Sin. ) ，2008，66(21) : 2321—2328
［23］ 蒋华良( Jiang H L) ，胡增建(Hu Z J) ，陈建忠( Chen J Z) 等.
化学进展( Progress in Chemistry) ，1998，10 (4) : 427 —441
［24］ 田少岗( Tian S G) ，沈海军( Shen H J) . 材料科学与工程学
报( Journal of Materials Science and Engineering ) ，2009，27
(2) :213—215，245
［25］ 张阳( Zhang Y) ，杨基础( Yang J C) ，于养信( Yu Y X) 等.
化学进展( Progress in Chemistry) ，2005，17 (6) : 955 —962
［26］ 曹斌( Cao B) ，高金森(Gao J S) ，徐春明(Xu C M) . 化学进
展( Progress in Chemistry) ，2004，16 (2) :291 —298
［27］ 韩振为(Han Z W) ，廖川( Liao C) ，周薇( Zhou W) . 计算机
与应用化学( Computer and Applied Chemistry) ，2007，24(5) :
703—708
［28］ 陈正隆( Chen Z L) ，徐为人(Xu W R) ，汤立达( Tang L D) .
分子模拟的理论与实践( Theory and Practice of Molecular
Modeling) . 北京: 化学工业出版社( Beijing: Chemical
Industry Press) ，2007，1
［29］ Stewart A A，McCammon J A. Chem. Rev. ，2006，106 ( 5 ) :
1589—1615
［30］ 汪文川(Wang W C ) . 分子模拟———从算法到应用( Understanding Molecular Simulation———From Algorithms to
Applications) . 北京: 化学工业出版社( Beijing: Chemical
Industry Press) ，2002
［31］ Allen M P，Tildesley D J. Computer Simulation of Liquids.
Oxford: Clarendon Press，1987
［32］ Aksimentiev A， Brunner R， Cohen J， et al. Methods Mol.
Biol. ，2008，474: 181—234
［33］ 陈凯先( Chen K X) ，蒋华良( Jiang H L) ，嵇汝运( Ji R Y) .
计算机辅助药物设计( Computer-Aided Drug Design) . 上海:
上海科学技术出版社( Shanghai: Shanghai Scientific
Technology Press) ，2000
［34］ Villoutreix B O，Renault N，Lagorce D，et al. Curr. Protein
Pept. Sci. ，2007，8(4) : 381—411
［35］ Zhou J，Zheng J，Jiang S Y. J. Phys. Chem. B，2004，108
(45) : 17418—17424
［36］ Ji X P，Jin B K，Jin J Y，et al. J. Electroanal. Chem. ，2006，
590(2) : 173—180
［37］ Trzaskowski B，Leonarski F，Les A，et al. Biomacromolecules，
2008，9 (11) : 3239—3245
［38］ Zhou J，Chen S F，Jiang S Y. Langmuir，2003，19 ( 8 ) :
3472—3478
［39］ Zhou J，Tsao H K，Sheng Y J，et al. J. Chem. Phys. ，2004，
121 (2) : 1050—1057
［40］ Chen S F，Liu L Y，Zhou J，et al. Langmuir，2003，19 (7 ) :
2859—2864
［41］ Sivasubramanian A，Maynard J A，Gray J J. Proteins，2008，70
(1) : 218—230
［42］ Arcangeli C，Cantale C，Galeffi P，et al. J. Struct. Biol. ，
2008，164 (1) : 119—133.
［43］ Hanasaki I，Haga T，Kawano S. J. Phys-Condens. Mat. ，2008，
20 (25) : art. no. 255238
［46］ Ho C M，Tai Y C. Annu. Rev. Fluid. Mech. ，1998，30:
579—612
［47］ Mautner T. Biosens. Bioelectron. ，2004，19 ( 11 ) : 1409—
1419
［48］ Cambiaso A，Delfino L，Grattarola M，et al. Sensor. Actuat. BChem.
，1996，33 (1 /3) : 203—207
［49］ Baronas R，Ivanauskas F，Kulys J. J. Math. Chem. ，2007，
42: 321—336
［50］ Berman H M，Westbrook J，Feng Z，et al. Nucleic Acids Res. ，
2000，28(1) : 235—242
［51］ Looger L L，Dwyer M A，Smith J J，et al. Nature，2003，423
(6936) : 185—190
［52］ Rogers K R. Mol. Biotechnol. ，2000，14(2) : 109—129
［53］ DeGrado W F. Nature，2003，423(6936) : 132—133
［54］ Gibas C J， Subramaniam S， McCammon J A， et al.
Biochemistry，1997，36 (50) : 15599—15614
［55］ Dejaegere A，Choulier L，Lafont V，et al. Biochemistry，2005，
44: 14409—14418
[1] 陈戈慧, 马楠, 于帅兵, 王娇, 孔金明, 张学记. 可卡因免疫及适配体生物传感器[J]. 化学进展, 2023, 35(5): 757-770.
[2] 王芷铉, 郑少奎. 选择性离子吸附原理与材料制备[J]. 化学进展, 2023, 35(5): 780-793.
[3] 刘振东, 潘嘉杰, 刘全兵. 机器学习在设计高性能锂电池正极材料与电解质中的应用[J]. 化学进展, 2023, 35(4): 577-592.
[4] 杨越, 续可, 马雪璐. 金属氧化物中氧空位缺陷的催化作用机制[J]. 化学进展, 2023, 35(4): 543-559.
[5] 牛文辉, 张达, 赵振刚, 杨斌, 梁风. 钠基-海水电池的发展:“关键部件及挑战”[J]. 化学进展, 2023, 35(3): 407-420.
[6] 傅安辰, 毛彦佳, 王宏博, 曹志娟. 基于二氧杂环丁烷骨架的化学发光探针发展和应用研究[J]. 化学进展, 2023, 35(2): 189-205.
[7] 于兰, 薛沛然, 李欢欢, 陶冶, 陈润锋, 黄维. 圆偏振发光性质的热活化延迟荧光材料及电致发光器件[J]. 化学进展, 2022, 34(9): 1996-2011.
[8] 谭依玲, 李诗纯, 杨希, 金波, 孙杰. 金属氧化物半导体气敏材料抗湿性能提升策略[J]. 化学进展, 2022, 34(8): 1784-1795.
[9] 李诗宇, 阴永光, 史建波, 江桂斌. 共价有机框架在水中二价汞吸附去除中的应用[J]. 化学进展, 2022, 34(5): 1017-1025.
[10] 乔瑶雨, 张学辉, 赵晓竹, 李超, 何乃普. 石墨烯/金属-有机框架复合材料制备及其应用[J]. 化学进展, 2022, 34(5): 1181-1190.
[11] 韩亚南, 洪佳辉, 张安睿, 郭若璇, 林可欣, 艾玥洁. MXene二维无机材料在环境修复中的应用[J]. 化学进展, 2022, 34(5): 1229-1244.
[12] 赵洁, 邓帅, 赵力, 赵睿恺. 湿气源吸附碳捕集: CO2/H2O共吸附机制及应用[J]. 化学进展, 2022, 34(3): 643-664.
[13] 孙华悦, 向宪昕, 颜廷义, 曲丽君, 张光耀, 张学记. 基于智能纤维和纺织品的可穿戴生物传感器[J]. 化学进展, 2022, 34(12): 2604-2618.
[14] 李炜, 梁添贵, 林元创, 吴伟雄, 李松. 机器学习辅助高通量筛选金属有机骨架材料[J]. 化学进展, 2022, 34(12): 2619-2637.
[15] 彭倩, 张晶晶, 房新月, 倪杰, 宋春元. 基于表面增强拉曼光谱技术的心肌生物标志物检测[J]. 化学进展, 2022, 34(12): 2573-2587.