利用分子动力学模拟揭示膜蛋白体系在电喷雾电离过程中的行为机理

Electrospray ionization (ESI) mass spectrometry (MS) is a powerful technique to study transmembrane proteins. The molecular mechanism of the ESI process remains a matter of debate. It is unclear what is the behavior of the analyte when releasing from the droplet, and to what extent electrosprayed gaseous analytes retain their solution structures. These uncertainties result in challenges and debates in the application of MS. However, experimental techniques are not applicable to explore these questions. Therefore, this project is designed to get insight into the molecular mechanism of the transmembrane proteins loaded in nanodiscs in ESI processes with molecular dynamics simulations. Firstly, we will test different computational approaches to get the most efficient computational scheme for the ESI simulations. It will provide theoretical basis and method for further studies. Then, we will study the releasing of empty nanodiscs from charged droplets, to provide new ideas and theoretical basis for interpretation and assignment of mass spectrum. Furthermore, we will focus on the behavior of protein loaded nanodiscs in the ESI process. These aim at the conformational rearrangement of proteins from liquid to gas, and the relationship between the lipids binding on proteins and the ESI charge states. This project will provide atomistic support for extensive applications of MS.

电喷雾质谱是研究膜蛋白的一种重要技术手段，但是由于电喷雾电离过程的分子机理尚不清楚，比如分析物离子如何从液滴中释放出来，产物气态离子在多大程度上保持其在溶液中的结构等。这些问题给质谱的应用带来了很多挑战和质疑，然而实验上又很难追踪这一过程。因此，本课题将致力于用分子动力学模拟研究膜蛋白及其载体（纳米盘）在电喷雾电离过程的分子机理。首先拟解决的是测试不同计算方法，得到最有效的计算方案，为以后的工作提供依据和方法。然后将其运用于研究纳米盘在不同初始条件下从带电液滴中释放的过程，以期为纳米盘复杂的质谱图谱的解析提供新的思路和理论依据。进而研究有蛋白加载的纳米盘在电喷雾过程中的行为，分析这一过程中膜蛋白从液相到气相的构象变化、膜蛋白表面脂质分子的结合状态和所带电荷之间的关系等，为质谱的应用提供原子水平上的依据。

电喷雾质谱（Electrospray ionization, ESI)）是研究膜蛋白的一种重要技术手段，但是由于电喷雾电离过程的分子机理尚不清楚，比如分析物离子如何从液滴中释放出来，产物气态离子在多大程度上保持其在溶液中的结构等。这些问题给质谱的应用带来了很多挑战和质疑，然而实验上又很难追踪这一过程。本项目通过分子动力学模拟研究了膜蛋白的载体纳米盘电喷雾电离过程中从液相转变到气相的演化过程。.我们首先测试不同计算方法，发现使Particle Mesh Ewald(PME)计算长程静电相互作用是最经济且最精确的方法。之后我们将其运用于研究纳米盘在不同初始条件下从带电液滴中释放的过程。我们在不同温度下进行了微秒级别的全原子分子动力学模拟。在得到的十条轨迹中，我们观察到两种不同的过程，在中心过程和偏离中心过程。在中心过程遵循带电残基模型，在此过程中，纳米盘很好地留在液滴内部，膜支架蛋白保持其环形几何形状。当溶剂蒸发时，脂质分子会翻转以保护其亲水表面。偏离中心过程符合带电残基模型和链弹射模型的混合模型。纳米盘迁移到水/空气界面，导致脂质分子从解离的膜支架蛋白二聚体中逸出，并部分排出一个单体。我们观察到了气态产物离子的多种形态，从其结构细节、碰撞截面和惯性张量都可以清楚表示出。我们模拟的结果与质谱的质荷比、电荷状态和碰撞截面的结果有着合理的一致性。我们的工作第一次展示了异质系统（脂质纳米盘）的从高电荷纳米液滴释放到气相中的原子尺度的视图，这可以为复杂系统的质谱解释提供结构支持。我们在模拟中观察到的现象也可以推广到其他蛋白质-脂质系统，而且我们为了进行这项研究所探索出的进行大体系的电喷雾电离过程的分子动力学模拟的方法也可以被广泛应用于其他电喷雾电离过程的分子动力学模拟中。