《Computational and Theoretical Chemistry》：DFT-based insight into the structural, optoelectronic, and elastic properties of an (HCNO)12 elastin fragment
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Ivana M.G.A. Cavalcanti | Carlos H.P. Silva | Marcelo F.S. Santos | érico R.P. Novais | Anderson C. Mar?al | Marcos V.S. Rezende | Andréa L.
Ivana M.G.A. Cavalcanti | Carlos H.P. Silva | Marcelo F.S. Santos | érico R.P. Novais | Anderson C. Mar?al | Marcos V.S. Rezende | Andréa L.F. Novais | Divanizia N. Souza
塞尔希培联邦大学物理系，Marechal Rondon大道，S/N，S?o Cristóv?o 49100-000，巴西塞尔希培
摘要
尽管密度泛函理论（DFT）传统上应用于无机材料，但它在分子层面研究生物系统（如软骨）方面也显示出有效性。在本研究中，我们采用基于第一性原理的DFT计算方法，研究了代表哺乳动物耳软骨（尤其是猪耳软骨）中弹性蛋白结构的多肽片段（HCNO）12的结构、光电和弹性特性。尽管弹性蛋白在生物学上具有重要意义，但由于其复杂的无序结构，其在原子尺度上的理解仍然有限。我们使用了不同的交换相关泛函（包括LDA、PBE及其针对固体的改进版本PBEsol）进行结构优化，以确保预测的平衡几何结构的可靠性和一致性。通过对（HCNO）12片段的电子能带结构、投影态密度和总态密度的分析，发现其带隙Eg为4.749 eV，证实了该系统的绝缘性质。研究重点关注H、C、N和O原子之间的相互作用，这些原子构成了多肽序列中反复出现的氨基（–NH2）、羧基（–COOH）和侧链官能团。同时，还计算了杨氏模量、剪切模量、体积模量和分子硬度等力学参数。（HCNO）12的弹性常数显示出复杂的各向异性行为，包括在特定晶体学方向上的负泊松比响应。这些结果凸显了DFT在精确描述生物分子系统方面的能力，并强调了其在生物医学工程中的应用潜力，特别是在仿生材料、植入物和组织兼容性器件设计中的应用。
引言
弹性蛋白是一种至关重要的蛋白质，它使组织能够伸展并恢复到原始形状。因此，它在大规模存在于皮肤、肺部和血管中，这些部位都需要弹性。然而，由于弹性蛋白高度交联且不溶于水，获取关于其结构和物理性质的详细分子水平实验信息仍然具有挑战性[1]、[2]。因此，基于量子力学方法的计算方法对于研究这种生物材料的分子行为变得至关重要[3]、[4]。弹性蛋白是一种高度交联的蛋白质聚合物，由弹性蛋白多肽组成，这些多肽是该蛋白质的基本构建单元[5]、[6]。多肽是由通过肽键连接的短链氨基酸构成。从化学角度来看，弹性蛋白由氢（H）、碳（C）、氮（N）和氧（O）原子组成，这些原子按特定模式排列在分子结构中。
尽管弹性蛋白非常重要，但在原子尺度上的详细理解仍然有限。这一限制主要源于其复杂的、无序的且不溶于水的结构，这对直接实验表征带来了重大挑战。在这种情况下，基于肽片段的简化分子模型成功地捕捉到了关键的结构和化学特征，从而推动了计算研究的发展。这些方法有助于分离出控制弹性蛋白衍生系统行为的基本相互作用[7]。
从结构角度来看，弹性蛋白具有高度疏水性，并富含甘氨酸、缬氨酸、丙氨酸和脯氨酸等氨基酸残基。弹性蛋白的一级结构由疏水域和交联域交替组成；赖氨酸残基对于这种交联过程至关重要[3]。弹性蛋白分子在由成纤维细胞等弹性生成细胞表达和分泌后，会被沉积在微纤维支架上，并通过溶菌酶等酶的催化发生广泛的共价交联，从而使材料变得不溶、有弹性且耐蛋白酶降解。此外，这种交联的分子排列使得成熟的弹性蛋白能够承受反复的拉伸循环而不会发生结构破坏[8]。
弹性蛋白提供的弹性对人类组织和其他承受连续载荷的材料至关重要。这种独特的细胞外基质（ECM）蛋白赋予软组织特定的机械性能，包括低刚性、高可逆延展性和高效的弹性能量储存，并在生命器官的功能中发挥着关键作用[4]。尽管弹性蛋白在生物学上非常重要，但使用体外实验方法对其的详细理解仍然有限。部分原因在于弹性蛋白在成体组织中的含量较低；此外，其复杂的和不溶于水的结构使得使用传统方法进行实验研究变得困难。因此，像（HCNO）12这样的代表性肽片段被广泛用于计算模拟，因为它们保留了弹性蛋白中存在的疏水序列和交联基序的基本特征[9]。
虽然密度泛函理论（DFT）最初是为无机系统开发的，但由于其能够准确描述分子系统的基态性质，现已广泛应用于生物物理学和材料科学研究[9]、[10]。DFT能够预测电子结构、态密度、弹性模量和分子片段的能量稳定性[2]、[3]、[9]。了解分子系统的电子结构和带隙对于预测其在光电应用中的潜力至关重要。异质结构纳米材料（如核壳纳米线）的最新进展表明，精确控制电子态和载流子动力学可以实现光检测和类脑设备的新功能[11]。在这方面，本DFT分析为生物启发式分子系统的电子行为提供了基本见解。
在本研究中，选择猪耳软骨作为参考生物系统，因为其弹性蛋白含量高且与人类组织在结构上相似[12]、[13]、[14]。尽管这项工作是理论性的，但选择猪耳软骨在原子级建模和实验相关生物材料之间建立了有意义的联系。在此框架下，基于DFT的模拟用于研究一种简化的生物启发式片段（HCNO）12的物理性质，该片段被建模为周期性结构。研究的目的是捕捉描述其内在行为所需的基本化学成分和结构特征，而不是再现完整的肽链[15]。
在这项工作中，我们填补了文献中的一个空白，通过第一性原理方法研究了弹性蛋白启发式系统的结构、电子、光学和弹性性质。以往的研究主要集中在生物学和宏观方面；然而，在原子尺度上描述电子结构和光学响应仍然有限。本研究的创新之处在于通过一致的DFT框架建立了分子排列与功能性质之间的直接关联，有助于对生物启发式材料及其在光电子学和光子系统中的潜在应用进行基本理解。
章节片段
密度泛函理论（DFT）方法
（HCNO）12片段的分子晶体结构数据来源于Materials Project数据库（条目ID：mp-3,346,792），该数据库提供了基于第一性原理的晶体学数据[16]。所采用的晶胞包含（HCNO）12，其中48个原子排列以保持系统的原始对称性。计算使用了密度泛函理论（DFT），这是一种描述固体系统基态性质的成熟方法[17]、[18]、[19]、[20]。
结构性质
经过对文献和晶体学数据库的仔细搜索，我们发现在本研究中分析的特定系统的相关实验数据（如结构、电子学或光学性质）尚未公开。鉴于缺乏直接的实验数据，并考虑到所研究的（HCNO）12弹性蛋白片段的特性，我们采用了两种互补策略来验证结果：
结论
在DFT框架内，我们使用了三种交换相关泛函（LDA、PBE和PBEsol）来研究一种受弹性蛋白启发的片段（HCNO）12的结构、电子、光学和弹性性质。其中，PBEsol提供了最低的总能量和最高的结构稳定性，因此被选用于电子和光学性质的分析。计算得到的能带结构和态密度显示其带隙约为Eg = 4.749 eV
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的作用
在准备本稿时，作者使用了ChatGPT来提升文本的语言表达和可读性。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对最终成果负全责。
Ivana M.G.A. Cavalcanti：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，方法论设计，数据整理。Carlos H.P. Silva：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，方法论设计，数据整理，概念构思。Marcelo F.S. Santos：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，方法论设计，数据整理，概念构思。érico R.P. Novais：撰写 –
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。
作者感谢FINEP（巴西创新机构）、CAPES（巴西联邦机构）对第一作者Ivana Cavalcanti的资助，CNPq（编号306229/2023-4；405536/2023-2；307008/2022-3；406761/2022–1 - 国家辐射技术健康科学研究所（INTERAS）（巴西国家科学技术发展委员会）、CENAPAD（圣保罗国家高性能计算中心）以及FUNAPE（研究支持基金会）的支持。我们还感谢Coaraci
