用相干中子散射和分子动力学模拟研究蛋白质分子内部大尺度原子关联运动

The large-scale （～ 1 nm） collective atomic motion in protein is intimately connected to its function. These dynamic modes play a crucial role in various processes, such as the entry of substrates into active sites, allosteric mechanism and enzymatic reactions. However, the quantitative experimental characterization of these dynamic modes remains challenging. In principle, they can be measured using coherent neutron scattering. This technique has already made great achievements in characterizing collective atomic motions in small molecule liquids, polymers, and glasses，etc. However, its application to protein is rather limited due to lack of fully deuterated protein samples. To overcome this difficulty, we will apply neutron scattering on fully deuterated Cytochrome P450. Briefly, quasi-elastic neutron scattering spectra will be collected using backscattering spectroscopy to quantitatively characterize the collective atomic motion in deuterated P450 on the pico- to nano-second time scales and 1 Å to 1 nm length scales. The experimental results will be compared to that of all-atom molecular dynamics simulation and Normal Mode Analysis. Such study will not only furnish microscopic picture for the functional dynamical pathway in P450, but also pave a new route for quantitative assessment of large－scale functional dynamical modes in various proteins. It will be of great importance for the future study on the protein dynamics, structure and function as well as their connections.

蛋白质分子内部大尺度（纳米尺度）的原子关联运动同其生物功能紧密相联。这些运动对协助底物运送到蛋白质催化区，蛋白质变构机理，催化反应都有重要意义。然而实验上定量表征非常困难。理论上，这些关联运动可以通过相干中子散射来测量。此技术已经在研究小分子液体，高分子体系和玻璃材料中的原子关联运动上取得优异成果。但受限于缺乏完全氘化的蛋白质样品，此技术在蛋白质上的应用非常少。为克服这一难点，申请人将使用完全氘化的细胞色素P450蛋白。运用背散射中子仪采集该样品准弹性中子谱，对P450内的原子关联运动在皮秒到纳秒并埃米到纳米时空区间上进行定量表征。同时还将进行经典分子动力学模拟和简振模分析，与实验结果对比研究。希望通过本工作不仅了解P450内与其生物功能相关的动力学过程，也为业界提供一套定量研究蛋白质内部与功能相关的大尺度运动的方法。本项目对研究蛋白质动力学，结构，功能以及它们的关联有重要意义。

蛋白质内部原子的关联运动与其生物功能密切相关。这些运动对协助底物运送到蛋白质催化区，蛋白质识别小分子和其它生物大分子，酶的催化反应都有重要意义。然而实验上定量表征非常困难。本项目旨在开发出一种结合中子散射实验和氘化技术对蛋白质三维运动在（埃米到纳米，皮秒到纳秒）时空间上进行定量表征的方法。在本项目的支持下，我们课题组自主研发了高通量生产全氘化蛋白的技术（专利申请号：CN201711007097.9）。围绕制备出来的氘化蛋白，我们展开了一系列中子散射实验研究以及计算模拟工作，在解析蛋白大尺度关联运动的时空间特征，该运动对温度的依赖性以及蛋白质表面水分子的扩散行为等方面取得重要进展。项目负责人作为通讯作者发表6篇论文，包括1篇PNAS，2篇PRL和一篇Science advances.本项目的成果推动了中子散射和氘化技术在研究生物体系方法学的进步，在蛋白质低温动力学转变，表面水分子扩散行为等重要生物物理现象上提出了新机理。