本發(fā)明涉及分子模擬，尤其是涉及一種用于研究磷脂結(jié)構(gòu)對生物膜分裂影響的分子模擬方法。

背景技術(shù)：

1、囊泡轉(zhuǎn)運是細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)交換的重要方式，當(dāng)囊泡轉(zhuǎn)運功能出現(xiàn)異常時，與該功能有關(guān)的細(xì)胞器活動及細(xì)胞功能就會受到影響，從而引起一些生物體疾病。囊泡轉(zhuǎn)運的過程會伴隨著生物膜的分裂行為，而磷脂是膜的基本骨架，因此磷脂在分裂過程中的行為受到越來越多的研究者重視。

2、磷脂的普遍形態(tài)是一個親水頭部連接兩條疏水烴尾，由不同的極性頭基和尾鏈構(gòu)成的磷脂膜在分裂中呈現(xiàn)差異。頭基尾鏈的形態(tài)比例不同，導(dǎo)致膜的厚度、曲率、形變能力存在區(qū)別。尾鏈的不飽和度和長度不同，導(dǎo)致膜的剛度、堆積缺陷等性質(zhì)也不同。膜的物理性質(zhì)和磷脂間的相互作用會使得分裂過程出現(xiàn)不同現(xiàn)象。盡管實驗技術(shù)手段近年來不斷地發(fā)展進步，為分裂過程的微觀結(jié)構(gòu)觀察和磷脂排布特征提取提供了前所未有的視角，但是以常規(guī)的實驗手段難以準(zhǔn)確地捕捉到分裂過程中磷脂分子的動態(tài)細(xì)節(jié)和分裂過程的勢能變化，亟需采用一種新的技術(shù)方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明旨在提出一種用于研究磷脂結(jié)構(gòu)對生物膜分裂影響的分子模擬方法，通過數(shù)值模擬方法研究微觀系統(tǒng)在經(jīng)典力學(xué)下隨時間演化的計算技術(shù)，本發(fā)明采用了martini粗粒度力場下的md模擬方法，構(gòu)建了由不同結(jié)構(gòu)的磷脂組成的膜管收縮分裂模型，結(jié)合傘形增強采樣方法，系統(tǒng)探究了磷脂結(jié)構(gòu)對分裂過程的影響規(guī)律，厘清了各個磷脂結(jié)構(gòu)在分裂過程中的變化規(guī)律和作用于分裂的微觀機理。

2、為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

3、一種用于研究磷脂結(jié)構(gòu)對生物膜分裂影響的分子模擬方法，該方法包括如下步驟：

4、（1）構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)磷脂成分的膜管分裂模型：

5、按照頭基、尾鏈長度、烴鏈不飽和度選取不同結(jié)構(gòu)的磷脂，先利用charmm-gui網(wǎng)站構(gòu)建不同磷脂組合的小模塊膜體系，反映生物膜的成分多樣性，之后利用gromacs將小模塊膜體系進行擴展達到所需尺寸，再利用bumpy腳本工具構(gòu)建若干組不同的膜管模型；最后采用粗粒度水珠模擬探針并在膜管模型外周構(gòu)建探針環(huán)得到膜管分裂模型；

6、（2）模擬分裂收縮行為：

7、利用gromacs模擬分裂收縮行為：首先對每一個探針都施加一個恒速力朝向該探針?biāo)谒矫娴哪す苤行狞c以保證探針能夠均勻地收縮，直至內(nèi)層的脂質(zhì)相互接觸，該過程稱為機械收縮階段；然后對機械收縮階段的最后一幀的探針繼續(xù)進行牽引，直至膜管發(fā)生分裂，該過程稱為分裂完成過程；

8、（3）機理分析：

9、對步驟（2）的兩個過程進行傘形采樣，并利用gromacs中g(shù)mx?wham模塊對傘形采樣的結(jié)果進行分析；

10、利用vmd可視化軟件捕捉膜分裂的動態(tài)過程及細(xì)節(jié)，通過vmd自帶腳本分析膜體分裂過程中整體上的演變速率和變化行為。

11、進一步，各組膜管的膜層均包括公共組分和變量組分，公共組分為各組膜管共有的磷脂，變量組分為各組膜管區(qū)別于其他膜管的磷脂，變量組分按照選取的磷脂結(jié)構(gòu)分為頭基組、鏈長組和不飽和度組，公共組分和變量組分的添加數(shù)目比例范圍為1:1-1.5。

12、進一步，通過bumpy腳本工具建立膜管模型，選擇martini3粗?；?，溫度設(shè)置為310k以模擬體內(nèi)溫度環(huán)境，膜管上下以周期性對接。

13、進一步，初始的膜管模型需經(jīng)過能量最小化、預(yù)平衡模擬和平衡模擬得到穩(wěn)定的膜管模型；得到穩(wěn)定的膜管模型后，插入探針，探針正對膜管的中央，膜管上下加入5nm的水層和離子，再進行能量最小化、預(yù)平衡模擬、平衡模擬，得到收縮分裂前的穩(wěn)定的膜管分裂模型。

14、進一步，能量最小化為采用兩次5000步最速下降法進行；

15、預(yù)平衡模擬為等溫等壓系綜下進行5次預(yù)平衡模擬，每一次進行1ns預(yù)平衡，時間步長逐漸增大并在每一次預(yù)平衡中減小對頭基的位置限制；

16、加入探針前的平衡模擬為在npt系綜下進行200ns的平衡模擬，采用parrinello-rahman控壓方法和v-rescale熱?。?/p>

17、加入探針后的平衡模擬為在npt系綜下進行1ns的平衡模擬，采用parrinello-rahman控壓方法和v-rescale熱浴。

18、進一步，一個探針環(huán)由10-16個均勻分布的探針組成，每一個探針由64個水珠以4×4×4的立方體排列，珠子間是由144個直接晶格鍵、216個平面對角鍵和108個對角鍵連接，每個鍵的簡諧力常數(shù)為1250?kj·nm-2·mol-1。

19、進一步，機械收縮過程是對每一個探針進行勻速的拉伸動力學(xué)模擬，探針運動速度為0.001?nm×ps-1；

20、分裂完成過程是對機械收縮過程的結(jié)束狀態(tài)進行收縮松弛，即先以0.00002?nm×ps-1的速度牽引探針，使探針前進0.1nm，再以一個力勢固定住探針，使膜管進行松弛變形，時長50ns，重復(fù)該過程直至膜管發(fā)生分裂。

21、進一步，分裂完成過程在完成一次牽引后松弛的條件為：在pr壓浴下，對每一個探針施加一個速度為0的力勢。

22、進一步，步驟（3）中傘型采樣的具體方法為：

23、機械收縮階段利用探針位移距離作為反應(yīng)坐標(biāo)，每0.2nm一個窗口，以保證窗口間重疊以得到連續(xù)的能量函數(shù)；

24、分裂完成階段取松弛構(gòu)型作為初始窗口構(gòu)型，相鄰窗口構(gòu)型的反應(yīng)坐標(biāo)相距0.1nm，采樣模擬參數(shù)沿用松弛模擬參數(shù)和限制，采樣時間為20ns。

25、本發(fā)明還提供了一種如上述所述的用于研究磷脂結(jié)構(gòu)對生物膜分裂影響的分子模擬方法在微觀角度研究磷脂結(jié)構(gòu)對生物膜分裂的影響規(guī)律及微觀機理方面的應(yīng)用。

26、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的用于研究磷脂結(jié)構(gòu)對生物膜分裂影響的分子模擬方法具有以下優(yōu)勢：

27、（1）本發(fā)明所述的用于研究磷脂結(jié)構(gòu)對生物膜分裂影響的分子模擬方法，可實現(xiàn)利用不同的磷脂結(jié)構(gòu)進行膜管建模及分裂過程模擬，克服了分裂過程和分子動態(tài)細(xì)節(jié)難以分析的難點，并實現(xiàn)結(jié)構(gòu)差異與自由能壘差異的對應(yīng)，滿足磷脂結(jié)構(gòu)作用機理分析的定量考察需要。該方法操作簡便，推廣性強，磷脂構(gòu)成及膜組分構(gòu)成可調(diào)，適用于各種生物體系的重現(xiàn)，彌補了實驗研究中操作繁瑣、周期長和成本高的不足；同時利用粗粒化力場也能提高計算效率并延伸模擬的空間、時間尺度?？偟膩碚f本發(fā)明能深入探究磷脂結(jié)構(gòu)在分裂過程中的分子作用機制，為與脂質(zhì)相關(guān)的致病機理探索提供了一條便捷而有效的途徑。

28、（2）本發(fā)明從整體膜層和個體磷脂兩個方面分析分裂過程的微觀機理。因為分裂與膜的物理性質(zhì)高度相關(guān)，因此對整體膜面積、內(nèi)外膜的厚度、膜的剛?cè)嵝远夹枰繙y定。通過fatslim、膜波動計算等腳本分析工具以及gromacs自帶分析模塊（?gmx?density等），得到了膜的剛?cè)嵝院鸵幌盗形锢硇再|(zhì)。第二個階段的分析側(cè)重于個體層面，由于第二個階段的磷脂結(jié)構(gòu)會頻繁接觸且具有較多的鏈間和頭基相互作用，因此分析側(cè)重點在磷脂的個體面積（apl）、厚度變化、尾鏈插入性能、頭基接觸次數(shù)、磷脂排列有序度的定量分析。通過對兩個階段磷脂結(jié)構(gòu)的分析，同時將分析結(jié)果與自由能壘相結(jié)合，歸納出磷脂結(jié)構(gòu)對分裂過程的影響機理，即結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致了磷脂的形態(tài)差異，進而改變了磷脂的空間及聚集狀態(tài)，影響了磷脂間的相互作用，從而影響分裂過程。此分析深化了對分裂過程的理解，從少有的視角分析磷脂對分裂的影響機理。