生物大分子构象自由能模拟方法

生物大分子结构和动力学的主要驱动力是范德华力和氢键等非共价相互作用。要定量表征构象平衡、动力学变化等我们感兴趣的过程，需要对自由能进行准确模拟。本项目重点发展溶液中生物大分子构象自由能模拟方法，包括建立不同构象状态之间绝对自由能差的模拟技术：通过设计合适的中间态序列，建立能够充分发挥图形处理器桌面超级计算能力的模拟采样方法，使结果的统计误差能够达到化学精度要求；建立在显式溶剂化自由能及溶剂平均场的相互作用模型下行构象变化路径模拟方法；进一步发展通过热力学循环和单步自由能微扰优化分子力场的模拟技术。

蛋白质功能依赖于分子构象状态分布及不同状态之间分子动力学演化。目前，以原子分辨率解析构象状态分布及其动力学演化机制的实验手段仍匮乏，计算机模拟是主要手段；基于分子模拟还可以构建构象自由能面，对平衡常数、反应速率等做出定量预测，与相应实验数据比较为判别模型可靠性提供了依据，并实现以定量数据为基础理解分子机制。通过直接分子动力学模拟重构自由能面的主要困难在于：蛋白质等生物大分子构象自由能面在原子尺度是高度不平滑的，不同构象状态被高于或远高于热运动特征能量kBT的能垒所分隔，导致常规时间尺度模拟难以覆盖大尺度构象状态变化区间，更无法达到构建自由能面所需的统计样本大小。针对此问题，本项目发展了分别针对两类一般情形的构象自由能模拟技术：(1)从单一构象状态出发加速采样并构建低维自由能面。我们发展了在集合坐标温度加速采样下获得正确热力学分布的方法。对少量集合坐标升温加速采样可避免对体系整体升温带来的问题，然而，被采样体系处于部分自由度高温的非物理状态，不能直接用样本估计热力学分布或平均，导致模拟缺乏定量性。我们通过理论推导和对不同体系模拟证明，可以基于绝热近似对温度加速采样样本进行加权平均，获得正确的正则系综热力学分布和热力学平均。(2) 构建并优化连接两个不同构象状态的构象变化路径及相应自由能面。有限温度弦方法通过沿猜测路径上不同点的正交方向进行约束采样，获得样本平均用于更新路径，实现对路径的迭代优化。然而，这一方案目前尚未实际用于复杂高维体系，因为样本平均的统计误差会导致更新后的路径高度不平滑，使迭代过程发散。我们对有限温度弦方法进行针对性的改进: 反应路径用多维集合坐标而不是非常高维的原子笛卡尔坐标表示；显式加入平滑性作为路径更新的约束条件。此模型用于实际蛋白质构象路径模拟能收敛，我们还提出一种沿路径的包络面采样技术，可后验检验用于表示反应路径的集合坐标集合是否包括了全部关键自由度。除以上两方面方法学研究外，我们还开展了数项模拟方法应用研究，包括：用温度加速采样模拟小分子诱导物从转录因子结合口袋中的解离过程，能够在不受扰动的势能面上获得大量的解离轨迹，可对其进行统计分析。模拟表明此具体体系解离时间服从单指数分布，且二聚体受体的两个诱导物结合口袋间存在耦合。将活性中心比对的结构生物信息学方法与量子化学计算结合，基于化学反应势能面推导糖苷水解酶的保守催化路径和化学机制。