大分子表面水合壳层结构的中子全散射研究

Combined neutron total scattering and molecular dynamic simulation are to be used to probe the water structure in the hydration layer around water-soluble macromolecule in semi-dilute，concentrate aqueous solutions and swelling state. The most-probable all-atom positions of water molecules in hydration layer will be established, the alignment and density of water molecules around hydrophilic and hydrophobic groups are thereby demonstrated, and the molecular origin of the dynamic transitions in dried and hydrated water-soluble macromolecules can also be.clarified. Traditionally, only the dynamics of the hydration layer can be studied by nuclear magnetic resonance, dielectric dispersion, fetosecond-resolved fluorescence spectrum, et al.. Because of the coupling of different dynamic modes of water molecules around hydrophilic and hydrophobic groups in the hydration layer, lots of debates remain. Here, we propose to use neutron total scattering and computer simulation to observe the static structure in the hydration layer directly, and the most-probable positions of all-atom water structures in.hydration layer can be seen. Our work can shed light on the further understanding of the effect of hydration layer on protein functionality.

使用中子全散射、分子动力学模拟为主要研究手段，在水溶性大分子的亚浓、浓溶液和溶胀体系中，建立水合壳层的最可几全原子结构，明确水合壳层中的水分子在大分子表面的亲水、憎水区的最可几排列方式，和密度变化情况；阐明水合壳层的结构对大分子动力学、动态学转变的影响。由于水溶性大分子表面既有亲水，又有疏水基团，所以水合壳层的结构非常复杂。X射线对氢元素不敏感；核磁、介电、荧光等实验手段只能在能量空间测量水合壳层的各种动态驰豫，并以此反推其作用机理。这种间接推断的方法存在固有缺陷，对一些基本物理问题的研究产生不同的解释，比如：大分子表面水合壳层中水分子的结构模型、水合壳层的动态转变与蛋白质活性的关系。中子全散射与计算模拟技术的发展，使我们能够使用氘代的方法，在倒空间观察无序大分子的最可几全原子结构，建立直观的水合壳层中水分子的全原子结构模型，为明确水合壳层在蛋白质功能化中的作用打下基础。

水是生命之源，而表面水或者说界面水合水是生命物质发挥其活性的关键，表界面水与基底材料相互作用的底层物理规律和关键数据，对生命活性物质保存、生物制药和催化等方面都有重要意义。本项目选择全氘代和不氘代的PEG和POM水合体系，全氘代绿色荧光蛋白、氘代细胞色素蛋白、核酸、氧化石墨烯等体系，联用准弹中子散射和分子动力学模拟的方法，研究水合壳层在动力学转变温度附近（~220 K）和室温下的最可几全原子结构和动力学转变过程。对比分析不同条件下表面水的动力学转变温度、不同温度下表面水和大分子的动态结构因子，同时与本体水的静态结构和动态结构进行对比为水合水的结构提供了一幅清晰的微观图像，包括静态的三维结构和动力学结构。广泛对比研究发现表面水在低温下动力学转变均在差不多同一温度，研究表面这一现象有普遍性并且与表面水的氢键断开和连接有密切关系。本研究为进一步理解表面水的性质及其与基底材料相互作用奠定了基础。