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分子模拟及其在生物工程上的应用

傅毅

  耐热酶在研究酶进化、蛋白质耐热的分子机制及酶功能上限温度等方面具有极其重要的理论和应用价值。研究蛋白质的结构和功能对嗜热酶耐热性的影响作用,不仅可以从理论角度描述蛋白质折叠和稳定背后的物理化学原理,而且对于设计新的能在高温下发挥作用的新型酶类提供理论依据。研究蛋白质耐热性目的之一是提高常温酶的耐热性。本文以来源于Bacillus macerans的常温酶,环糊精葡萄糖基转移酶(cyclodextrin glycosyltransferase, CGTase)作为研究对象。CGTase是生产环糊精的重要工业酶,由于工业生产条件的高温加热,使得CGTase的利用受到很大限制。除了筛选合适菌种外,人们更希望利用蛋白质工程手段改造CGTase的热稳定性。这就需要进一步了解蛋白质序列同蛋白质功能和空间结构的知识。 采用并行计算的分子动力学研究蛋白质CGTase的热稳定性。利用改进的量子粒子群优化(Quantum-behaved Particle Swarm Optimization, QPSO)算法对蛋白质进行模拟前的能量优化,确保在蛋白质开始移动前充分调整所有的自由度。利用分子动力学模拟研究了蛋白质CGTase的热解折叠过程,从结构和功能角度分析蛋白质稳定性的影响因素。利用分子动力学模拟和静电相互作用的优化研究了局部的结构对蛋白质整体结构的热稳定性的影响,最后通过定容热容(heat capacity at constant volume, Cv)的计算来量化蛋白质间热稳定性的差异。主要内容概括如下: 针对能量最小化中局部最小的数目随着分子大小是呈指数增长的,导致了能量函数的全局最优搜寻易早熟收敛的缺点,提出一种改进的QPSO算法,通过加入多阶段自适应操作,将粒子群分成多个阶段进行目标搜索,并且施加到全局最优位置上来提高算法搜索能力。实验中用了10个标准的测试函数及多个自由度的大分子结构简化能量函数对算法进行全面的测试,证明了此算法的全局收敛性。实验结果表明,基于多阶段自适应操作的QPSO算法寻优能力强,搜索能力高。 使用分子动力学模拟对CGTase的热解折叠进行研究。通过对野生型CGTase分别在五个不同温度下运行解折叠动力学模拟,研究在热解折叠路径上蛋白质的结构—稳定性的关系,通过分析分子间及分子内的相互作用来寻找结构特异性、解折叠重要区域和蛋白质不同区域的热稳定性的差别。实验发现CGTase的初始解折叠是发生在N端和结构域D,而且CGTase的外部结构域的解折叠要快速于催化核结构域,催化中心由于(α/β)8TIM(Triosephosphate isomerase)桶很好的保护,直到600K的温度下才开始发生解折叠。另外,8片p-折叠遵从随机发生解折叠机制,只是第8、1和6片的p-折叠的解折叠要快速于其它的β-折叠。结果显示蛋白质的稳定性并不是均衡的分布于蛋白质之中。随着模拟温度的升高,CGTase分子的内能增加,构象由能量较低的紧致有序的球状结构转变为能量较高的无规则构象。这一结果也为解释高温过程中蛋白质的变性提供了理论依据。 接下来,通过增加蛋白质表面盐桥数量研究局部的结构变化对蛋白质整体结构的热稳定性的影响。首先计算蛋白质残基的均方根涨落(Root Mean Square Fluctation, RMSF)值来确定蛋白质中的热不稳定区域以筛选突变点。再用分子动力学在水环境中模拟了不同温度下野生型CGTase分子及其突变体的动力学过程。针对突变型CGTase表面多含带电荷残基的特征,计算出野生型和突变型蛋白质的整体静电势能,在一定程度上阐释CGTase依靠表面静电势提高蛋白质热稳定性的机制可行性。在突变体增加的盐桥中,有5个盐桥Lys88-Glu91、Asp145-Argl48、Asp296-Arg335、Arg336-Asp337和Arg336-Asp370对热稳定性增加贡献较大。同时,提出使用定容热容来量化蛋白质的动力学转变温度的差异,发现突变体的动力学相变温度提高了25℃,进一步证明突变型与野生型蛋白质相比有较高的热稳定性。结果表明:使用定容热容来量化蛋白质间热稳定性差异是有效可行的方法,同时,静电相互作用优化方法为新的热稳定蛋白质的合理设计提供了可行的策略。 论文最后对所做工作与主要研究成果进行了总结,并提出了进一步的研究方向。……   
[关键词]:分子动力学模拟;量子粒子群优化算法;解折叠;盐桥;定容热容;环糊精葡萄糖基转移酶
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:江南大学2010年