单分子基因转录复制的非平衡态物理机制解析

Transcription and replication are most fundamental and essential processes in molecular genetics and evolution, conducted by molecular motors in charge of the processes, i.e., mainly RNA/DNA polymerase, that work at non-equilibrium steady state. In recent years, rapid advancements in experimental technology at single molecule level provide abundant structural and dynamics information for the polymerases, making it possible to study their function dynamics at molecular level from a physics point of view. The major issues of our concern include non-equilibrium dynamical properties of small systems, the physical mechanisms of efficient propagation of genetic information as well as molecular responses and coordination. Our research will start from utilizing single molecule experimental data, and build models by combing information from both stochastic dynamics and molecular structures. In comparison with traditional phenomenological research on molecular motors, current research will focus on dissecting underlying mechanisms and building correspondence between the phenomenology and structural & dynamics details. Based on the simplified functional model, we will employ techniques such as molecular dynamics simulation from atomistic to some coarse-grained levels. This way we can study the most important degrees of freedom in mechano-chemical coupling of the system. We will comparatively study both RNA and DNA polymerases, or polymerases with two totally different architectures. We will demonstrate the importance of studying the physical mechanisms from the perspective of molecular evolution, while try to provide solution for potential applications of the polymerase systems in biomolecular engineering.

基因转录和复制是分子生物遗传和进化中最基本和核心的过程，主要由负责转录和复制的分子马达即RNA/DNA聚合酶工作在非平衡稳态来完成。近年来，实验技术在单分子水平上的迅速发展为聚合酶体系提供了丰富的结构和动力学信息，使得从物理角度来研究其分子功能的实现成为可能。我们关注的问题主要包括微小系统的非平衡态动力学特性，信息流的有效传递以及分子结构感应和协调的物理机制。研究将从单分子实验数据入手，结合体系的随机动力学和分子结构信息进行建模。相比传统的分子马达唯象研究，该项目着力于探求唯象机理在分子结构和细致动力过程中的对应和解析。在简化建模基础上，我们将采用分子动力学模拟等技术手段，在全原子和逐步粗粒化的尺度上，对体系重要的机械化学自由度及其相互耦合进行考察。我们将对比研究转录和复制酶以及不同架构的聚合酶，一方面侧重从进化角度探索分子功能的物理实现，一方面为相关系统在分子技术上的应用作好铺垫。

基因转录是分子生物学中心法则中重要的基础环节，而转录聚合酶是控制该过程的核心蛋白。我们的研究集中于一个具有代表性的病毒T7 RNA转录酶聚合蛋白，因为其结构相对简单，转录活性强并且不需要调控蛋白因子，所以构成一个非常适合进行物理机制考察的最小转录模型体系。我们的研究的方法包括侧重原子精度结构动力学的分子模拟和侧重纳米尺度体系非平衡态涨落特征的随机过程和化学动力学建模。研究最主要的贡献就是全面地考察了这个代表性的转录酶分子机器，为转录蛋白核心机制的生物物理研究提供了一个类似物理研究上的“氢原子”体系。特别地，我们考察了作为转录分子机器最重要的两个特征，一是机械化学耦合特征，用于实现化学自由能驱动下蛋白分子机器在DNA上的运动等机械变化。具体的研究包括对转录酶化学反应产物释放和转录酶在DNA的迁移进行了大规模的全原子模拟和构型相空间马尔科夫态模型构建。另一个特征是对转录过程中基因信息的保真，针对基于模版DNA生成RNA互补链时控制错误率到足够低。具体的研究包括建立了转录酶对底物核苷酸逐步筛选的动力学理论框架和实施了对具体筛选步骤的分子结构动力学模拟。通过对运动和信息调控的全面描述，我们提供了该转录聚合酶在转录延伸过程中的能量转换利用耗散以及相应的分子结构对应特征。尤其是，我们通过模拟计算理性设计了具有更新功能（比如倒退迁移）的蛋白变异体，并取得了实验上的初步验证。除了研究该病毒模型蛋白，我们还结合单分子实验数据和之前的分子结构动力学模拟，通过对体系非平衡稳态进行化学动力学建模，对照研究了在酵母体系中更复杂的转录聚合酶的整个转录延伸过程。研究澄清了不同实验数据解释的共通和区别，并提出了两种更具体的可检测的模型用于实验上进一步对该转录酶进行考察。我们的研究还更进一步通过对整个转录过程从起始到延伸再到终止的数学模型描述，考察了在多个转录酶和DNA超螺旋带来的机械反馈情形下，转录生成mRNA的产量和涨落特征。