生物大分子最優自由能路徑研究

《生物大分子最優自由能路徑研究》是依託華中科技大學，由陳長軍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：生物大分子最優自由能路徑研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳長軍
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

在計算生物和化學中，反應路徑非常重要，在理論上它是最優自由能路徑，路徑上的能壘與反應率相關，路徑起點和終點之間的自由能差反映了反應物和生成物之間的相對穩定性，這些信息對實驗研究和實際套用都很有價值。但是，目前從理論上研究最優自由能路徑仍舊比較困難。分子體系中大量的自由度，使得計算變的非常複雜和耗時，因此，在這一領域展開深入研究很有必要。在本項目中，我們將做以下兩方面的工作：首先，我們將進一步發展理論方法，包括路徑建立和自由能計算等各個方面，爭取能夠找到一種快速有效的路徑最佳化方法,並將計算流程編製成程式代碼，合併入著名的分子動力學軟體AMBER中，以拓展套用範圍。其次，我們將使用最優自由能路徑的方法來分析一些真實的生物分子體系，包括鈣調蛋白和核糖開關，研究受體和配體之間的結合過程並計算結合自由能，該項研究能夠幫助我們更深入的理解它們的結合機制。

結題摘要

生物大分子的自由能表面及狀態轉移路徑的計算是生命科學領域內的重要研究課題，對我們了解分子的摺疊機制及結構-功能關係有著重要意義。本項目在這一特定方向上開展工作，並取得了一系列研究成果。首先，我們基於約束動力學算法，在集合坐標空間中直接最佳化分子的狀態轉移路徑，並計算路徑上的自由能變化曲線。具體包括斷層掃描方法和動態生長方法。模擬結果表明，這些方法能夠在分子的多維自由能表面上很好的最佳化初始路徑，並保持路徑平滑，這有利於我們節約計算資源，分析一些重要的狀態轉移過程。其次，我們引入非活躍副本採樣和雙空間採樣方法，更有效地計算分子的完整自由能表面，便於進行穩定態分析和後續的路徑最佳化。非活躍副本採樣方法增加了副本交換效率，提高了傳統的副本交換方法的靈活性。而雙空間採樣方法則改進了傳統的輔助勢採樣方法，藉助約束動力學，它分離了原本聯繫緊密且相互影響的採樣過程和自由能計算過程。讓自由能計算的準確性和效率不再直接依賴於輔助勢的疊代速度。這些新發展的自由能計算方法都是傳統方法的有益補充。它們已經作為模組整合入TINKER和AMBER分子動力學軟體中。