亚浓聚合物溶液中蛋白扩散及反应动力学的介观统计理论研究

Studying the dynamical behavior for macomolecules in crowding environments is critically important for deep understanding relevant intracellular life processes. We aim to develop a mesoscopic statistical modeling to systematically analyze the diffusive dynamics and reaction kinetics in complex solutions for biomolecules such as proteins. The Main contents include: (1) Based on generalized Langevin equation and mode coupling theory, we study the anomalous diffusive dynamics of proteins in semidilute polymer solutions. The dynamical heterogeneity associated to crowded effect as well as the deviation of diffusion coefficient from Stokes-Einstein relation will be comprehensively studied. (2) We will develop the dynamical disorder theory based on fluctuating bottleneck model for the protein-ligand binding kinetics . In particular, the influence of protein conformational fluctuation on the binding rate will be revealed. (3) Combining the anomalous diffusive dynamics and Kramers rate theory, we will establish an efficient theoretical framework to analyze the protein-protein association rate theory in semidilute polymer solutions. The quantitative relation between the association rate and the solution density and viscosity will be explicitly calculated. Our theoretical work will be applied to understand the experiments concerning protein diffusion and reaction in crowding environments. Our work will provide a novel and effective theoretical method to study the complex dynamical behavior in much more complicated celluar environments. Moreover, it will make also contribution to the development of the mesoscopic statistical mechanics for the study of complex systems.

亚浓聚合物溶液通常被用于模拟细胞拥挤环境，研究该类复杂溶液中蛋白的扩散及反应动力学，揭示拥挤效应的影响，对深入理解细胞内生命过程等具有十分重要的意义。本项目拟发展介观统计方法，研究蛋白等生物大分子在亚浓聚合物溶液中的扩散及反应动力学。主要内容包括：（1）发展模耦合理论并结合广义郎之万方程，研究蛋白反常扩散动力学，揭示拥挤效应导致的动力学非均匀性，探索扩散系数对Stokes-Einstein关系偏离的机制；（2）发展动力学无序理论并结合瓶颈涨落模型，研究蛋白与配体结合反应动力学，揭示拥挤效应及蛋白构型涨落的重要影响；（3）结合上述两方面，进一步研究蛋白-蛋白结合反应动力学，建立扩散控制和反应控制模型下的结合速率与溶液浓度、粘度等的定量关系。本项目的研究将为深入理解复杂溶液中蛋白扩散及反应动力学相关实验提供理论支撑，为探索细胞等拥挤环境中药物输运、蛋白相互作用等复杂动力学过程提供新的研究方法。

研究亚浓聚合物溶液中蛋白扩散及反应动力学，对深入理解细胞内生命过程、探索拥挤环境中生物分子的结构和功能等具有十分重要的意义。本项目立足于发展理论和计算模拟方法，定性乃至定量地研究蛋白在拥挤环境中的扩散和反应动力学，揭示拥挤效应和蛋白类生物大分子构型涨落的变化规律。主要成果包括：（1）结合多粒子碰撞动力学与传统分子动力学模拟，构建了纳米粒子在高分子溶液中的扩散模型并有效引入了长程流体力学相互作用；（2）基于本征无序蛋白的无序性，建立了本征无序蛋白在高分子溶液中的扩散模型；（3）结合耗散效应的平均场理论和聚合物宏观粘度的半经验标度方程，描述粒子表面附近空间非均匀的浓度和粘度分布，并提出一种亚浓溶液中分子探针转动扩散系数新的标度形式；（4）引入聚合物溶液中扩散系数的标度理论和拥挤效应诱导蛋白之间的有效相互作用能，定量揭示了结合速率常数偏离SE关系的内在机制；（5）系统地研究了内摩擦和溶剂效应交互作用以及大分子拥挤效应对链环化的影响，定量揭示环化速率对聚合物浓度或粘度和尺度的反常依赖关系的内在机制；（6）运用全原子模拟方法，研究了纳米聚合物复合体系中聚合物构象变化及扩散动力学，考察不同嫁接密度的羟基端Si表面聚苯乙烯的扩散，揭示了羟基嫁接密度对聚合物构象变化及扩散因子的影响；（7）通过研究硬球溶液中链的环化动力学行为，揭示了环化速率与硬球溶液浓度和尺寸间复杂关系的内在机制；（8）系统地研究了探针聚合物在简单球形、柔性聚合物和棒状聚合物溶液中的构象变化，揭示出三种体系中探针聚合物复杂压缩行为间的显著差异；（9）揭示了拥挤-活性耦合效应对半柔性高分子链的构象变化的影响规律；（10）阐明了活性-拥挤耦合效应对自驱动粒子在高分子溶液中扩散动力学的影响规律。