細胞擁擠環境中反常次擴散對酶催化反應動力學的影響

《細胞擁擠環境中反常次擴散對酶催化反應動力學的影響》是依託中國科學院精密測量科學與技術創新研究院，由易鳴擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：細胞擁擠環境中反常次擴散對酶催化反應動力學的影響
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：易鳴
• 依託單位：中國科學院精密測量科學與技術創新研究院

項目摘要

研究細胞生物分子的布朗運動對生化反應動力學的影響，是非平衡統計動力學的重要方向，同時也是生物物理和軟物質領域的重大理論課題。但是傳統正常布朗運動下的擴散限制反應理論無法解決細胞擁擠環境中生物分子反常布朗運動相關的生化反應問題。為了解決這一問題，本項目擬結合酶催化反應動力學方面的實驗新進展，採用分數布朗運動（微觀）以及分數階反應次擴散方程（巨觀）建立酶反應次擴散體系的數學模型，綜合利用非平衡統計物理理論以及非線性動力學方法，研究生物分子反常次擴散對酶生化反應動力學的影響。通過本項目的開展，在理論上把生化反應物從正常布朗運動推廣到反常布朗運動，把擴散限制反應理論推廣到次擴散限制反應理論；在套用方面，結合實驗闡述酶催化反應以及信號轉導模組的非線性生化反應特徵，最終有望揭示細胞擁擠環境中信號轉導通路的動力學機制及其生物物理效應，給出實驗預測。

結題摘要

研究細胞擁擠環境中生物分子反常布朗運動相關的生化反應問題，是非平衡統計動力學和生物物理的重大前沿課題。本項目分別結合可逆的雙分子生化反應、酶催化反應、磷酸根轉移反應，從理論上和套用上探討了反常布朗運動對於生化反應動力學的影響。代表性進展包括：(1)我們研究了反常擴散下可逆的雙分子化學反應系統，首先基於連續時間隨機行走理論給定了主方程模型，然後推導了巨觀的分數階反應次擴散方程，進一步分析了系統的統計性質，發現分子濃度分數階矩與時間成線性比率關係，同時發現其中一種反應物的定態分布滿足指數衰減。 (2)最近的哺乳動物細胞實驗結果表明在細胞擁擠環境中，MAPK級聯反應能夠由分布型磷酸化過渡到過程型磷酸化機制，我們建立了蛋白質混合型磷酸化機制的數學模型，並引進了細胞擁擠因子和過程型比率係數，模擬結果顯示：調節過程型比率能夠定性改變MAPK信號模組的動力學回響，使得該級聯模組在振盪、雙穩以及超靈敏性等狀態之間切換，然而細胞擁擠因子只影響信號轉導的時間尺度。(3)研究了極弱蛋白-蛋白相互作用如何促進磷酸根的傳遞，我們關注的極弱相互作用的複合體中的兩個蛋白分別是大腸桿菌磷酸轉移酶系統中的EI 和EIIAGlc 蛋白，它們之間能夠進行磷酸基團的傳遞，理論分析發現當蛋白濃度超過1 mM 時，則與之匹配的KD 必須大於1 mM，否則會造成信號傳遞“擁堵”，使信號蛋白濃度增加 帶來的“紅利”消失。通過本項目的開展，我們揭示了細胞擁擠環境中生化反應以及信號轉導模組的非線性特徵，為進一步探討真實細胞環境下的信號轉導通路的動力學機制及其生物物理效應打下了基礎。成果上，主持人以通訊作者身份發表SCI論文9篇，包括生物物理主流期刊Biophysical journal兩篇，另外其他合作成果發表在Angewandte Chemie International Edition、Physical Review E、Chaos等著名期刊。