一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法

本发明属于分子动力学，具体涉及一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法。

背景技术：

1、分子动力学是一种分析系统中原子和分子物理运动的计算机模拟方法，也是分子力学中最重要、应用最广泛的一种方法。此方法推动了生物大分子动态模型的进程，表明了生物大分子内部原子的相对运动以及对应的生物大分子形态变化对生物大分子的功能特性的影响。

2、分子动力学模拟是一种模拟体系中粒子运动的方法，该方法主要是根据经典牛顿力学对分子体系的运动状态进行模拟，并从系统中抽取样本，计算体系构象积分，以得到的结果为基础计算体系的热力学量和其他宏观性质。分子动力学能够有效的分析生物大分子结构和动力学特征，实验过程中由于条件的限制，往往很难直接观测到原子水平生物大分子的动态变化。将分子动力学用于模拟生物大分子的相关行为，可以更好地去理解和完善相关的实验现象、解释实验机理、预测相应实验结果。目前，由于实验过程中条件的限制，往往难以在原子水平上直接观察生物大分子的动态变化。使用分子动力学(md)模拟来模拟生物大分子的相关行为，可以揭示否则可能无法获得的结构和动力学细节。并且通过将实验室据和模拟数据进行对比分析，可以更将准确的验证实验猜想以及推动实验进程。现在，md模拟已成为一种强大且通用的基于物理的方法，用于了解生物分子的结构和动力学。

3、不同的干燥方式对于蛋白质的结构有着不同的影响，本发明通过分子动力学模拟不同的干燥方式，且在不同干燥方式下蛋白质的结构变化情况，再将实体实验结果与模拟结果之间相互比对，更加深层次的从结构方面分析不同干燥方式对蛋白的影响。

技术实现思路

1、为了更加深入理解不同干燥方式对蛋白质结构的影响，本发明提供了一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法，包括如下步骤：

4、1)从rscb pdb蛋白质数据库pdb id：4twm中获取蛋白质的晶体构型，并用pymol软件对其进行处理；

5、2)模拟过程选用opls-aa全原子力场，将步骤1)所述的蛋白质置于周期性八面体盒子中，并向盒子中添加溶剂，得到一个带点体系；

6、3)在所创立的盒子中添加离子中和系统，在体系达到电中性后，采用最陡下降算法对系统进行8000步的能量最小化；远程相互作用使用粒子网格ewald方法进行处理，范德华作用使用cut-off法来处理，并将距离截断值设置为使用v-rescale恒温器来控制系统温度，使用berendsen恒压器控制压力；

7、4)对步骤3)建立的体系依次进行nvt、npt条件下的预平衡；

8、5)在预平衡结束后，使用gromacs软件对不同干燥环境下进行参数的设定，随后进行模拟；

9、6)通过不同的软件对模拟之后得到的轨迹文件进行处理，再结合可视化软件得到有关蛋白结构的数据图像；

10、7)对不同干燥环境下所获取的蛋白进行结构性质及理化性质的测定；

11、8)数据的收集及处理；

12、9)将模拟实验结果与实体实验结果进行比对分析。

13、进一步的，上述的一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法，步骤1)中，所述蛋白质的晶体构型为dioscorin结构。

14、进一步的，上述的一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法，步骤2)中，蛋白质与盒子之间的最小距离设置为1.0nm。

15、进一步的，上述的一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法，步骤2)中，所述溶剂为tip3p水模型。

16、进一步的，上述的一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法，步骤3)中，所述离子中和系统为na+和cl-离子中和体系，并使得离子强度保持在0.15mol/l。

17、进一步的，上述的一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法，步骤4)中，所述预平衡的具体方法为：在nvt系综下，保持原子数目、系统体积和温度恒定，系统压力改变对系统进行100ps的平衡，步长设置为2fs；在npt系综下，保持原子数目、系统压力和温度恒定，系统体积改变，对系统同样进行100ps的平衡，步长设置为2fs。

18、进一步的，上述的一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法，步骤5)中，利用温度和压力的变化来模拟不同干燥环境，使用v-rescale恒温器来控制系统温度，使用berendsen恒压器控制压力，冷冻干燥条件下温度为255k、压强为40pa，喷雾干燥条件下温度为423k、压强为100000pa。

19、进一步的，上述的一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法，步骤7)中，测定不同干燥环境下所获得蛋白的sds-page、扫描电镜、dsc、红外光谱。

20、本发明的有益效果是：

21、1、本发明提供了一种模拟不同干燥方式的方法，通过v-rescale恒温器来控制系统温度，使用berendsen恒压器控制压力，从而达到模拟不同干燥方式的目的。

22、2、本发明提供的模拟不同干燥的方法，方法易懂，且模拟结果与接近于实验结果。

23、3、本发明利用分子动力学模拟更加深入探究了不同干燥方式对dioscorin结构及理化性质的影响。

24、4、通过虚拟的模拟实验与实体实验相互验证，其实验结果更加可靠。

技术特征：

1.一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法，其特征在于，步骤1)中，所述蛋白质的晶体构型为dioscorin结构。

3.根据权利要求1所述的一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法，其特征在于，步骤2)中，蛋白质与盒子之间的最小距离设置为1.0nm。

4.根据权利要求1所述的一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法，其特征在于，步骤2)中，所述溶剂为tip3p水模型。

5.根据权利要求1所述的一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法，其特征在于，步骤3)中，所述离子中和系统为na+和cl-离子中和体系，并使得离子强度保持在0.15mol/l。

6.根据权利要求1所述的一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法，其特征在于，步骤4)中，所述预平衡的具体方法为：在nvt系综下，保持原子数目、系统体积和温度恒定，系统压力改变对系统进行100ps的平衡，步长设置为2fs；在npt系综下，保持原子数目、系统压力和温度恒定，系统体积改变，对系统同样进行100ps的平衡，步长设置为2fs。

7.根据权利要求1所述的一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法，其特征在于，步骤5)中，利用温度和压力的变化来模拟不同干燥环境，使用v-rescale恒温器来控制系统温度，使用berendsen恒压器控制压力，冷冻干燥条件下温度为255k、压强为40pa，喷雾干燥条件下温度为423k、压强为100000pa。

8.根据权利要求1所述的一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法，其特征在于，步骤7)中，测定不同干燥环境下所获得蛋白的sds-page、扫描电镜、dsc、红外光谱。

技术总结
本发明提供了一种将分子动力学模拟和实体实验相结合用于比较不同干燥环境下蛋白结构的差异的方法：1)从蛋白质数据库中获取一种蛋白质的晶体构型，2)选择合适的力场，建立盒子并添加溶剂，3)在盒子中添加离子中和系统，进行能量最小化，4)对体系依次进行NVT、NPT条件下的预平衡，5)参数的设定及模拟的进行，6)通过不同的软件对轨迹文件进行处理，再结合可视化软件得到蛋白结构的数据图像，7)对不同干燥环境下的蛋白进行结构性质及理化性质的测定，8)数据的收集及处理，9)将模拟实验结果与实体实验结果进行比对分析。本发明通过上述方法，模拟结果接近于实验结果，更加深入探究了不同干燥环境对蛋白结构及理化性质的影响。

技术研发人员：薛友林,聂豪男,马铮,王晓文,张俊伟,彭雪,王宁
受保护的技术使用者：辽宁大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22