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)運是細胞內(nèi)外物質(zhì)交換的重要方式，當囊泡轉(zhuǎn)運功能出現(xiàn)異常時，與該功能有關(guān)的細胞器活動及細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)的實驗手段難以準確地捕捉到分裂過程中磷脂分子的動態(tài)細節(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所在水平面的膜管中心點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、預平衡模擬為等溫等壓系綜下進行5次預平衡模擬，每一次進行1ns預平衡，時間步長逐漸增大并在每一次預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坐標，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)型的反應坐標相距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，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。總的來說本發(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。