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生命物质显微成像迈入亚原子分辨率

2018-06-11  点击:[]

    由伊利诺伊大学香槟分校领导的这项研究发表在《Nature Methods》。

   科学家们结合了两种计算分子相互作用的方法:第一种是纳米尺度分子动力学程序(NAMD),它采用的是经典力学方法建模成百上千个单原子的结构和行为模拟;第二种是放大亚原子世界,模拟质子、中子和电子相互作用。 
   分子力学和量子力学程序已经存在许多年了,伊利诺伊大学化学系教授Zaida (Zan) Luthey-Schulten说。她和她的丈夫,物理学系教授Klaus Schulten共同领导了这项研究,新工作的突破在于简化了模拟的建立、执行和分析过程。 
“我让我的学生们使用它,大多数人都能轻松掌握。该程序的特点是研究人员可根据需要,很容易地选择合适的模式,”Luthey-Schulten说。 
   1995年,Schulten开发了NAMD,将其与可视化软件VMD结合后,得以观察大规模分子相互作用。2016年去世的Schulten教授还曾把NAMD延伸用于“构建计算显微镜”。

   计算显微镜是模拟大型复杂物质结构特征和动态的理想工具。2013年,Schulten和同事利用NAMD模拟了HIV衣壳,这种笼状结构由超过1300个相同蛋白质组装而成。模拟器计算了6400万多个原子相互作用,动用了位于美国国家超级计算应用中心的超级计算机深海(Blue Waters)。 
   新文章使用的也是深海,但是分辨率已经飞跃到了亚原子水平。 
   研究人员说,亚原子力相互作用对分子动态区域(如化学键形成或断裂部位)研究非常重要。 
   伊利诺伊大学团队联手Max Planck煤炭研究所的QM专家Frank Neese和帕拉伊巴联邦大学的Gerd B. Rocha模拟了tRNAs的化学行为。 
   在NAMD的视角下,研究人员建模出tRNA负荷一个氨基酸时的分子结构全貌,他们将两个复杂区域规划为需要使用量子力学方法的区域。 
   研究小组在亚原子水平模拟了这两个区域的相互作用,进而展示了tRNA在细胞内行使功能的4种不同脚本。结果显示,其中一种化学途径在能量上比其他三种更为有利,因为可能性最高。

   来源:生物通

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