庄巍课题组在酶-配体体系超快结构动力学及其生化相关性的太赫兹谱学研究中取得进展

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随着生命科学与化学物理表征技术两方面的高速发展，生物体系中的皮秒尺度超快动力学过程以及它们与生命过程的联系这一交叉科学问题越来越受到人们的关注。这一交叉学科方向研究中至关重要的一步是找出与生化活性相关的超快过程，并尽可能详尽地掌握其分子细节。例如酶蛋白-配体体系中特定的亚皮秒-皮秒尺度集合运动被认为能够引导体系在高度复杂的反应势能面上转变，由此促进特定的酶化学反应和生物过程。然而由于探测工具的缺乏，对这些超快酶运动的实验报道极为稀少。关于它们的分子细节以及与酶生化活动的关联性的知识也极度缺失。

　　由于太赫兹频率窗口与皮秒时间窗口通过傅里叶变换直接关联，太赫兹光学科尔效应 (OKE) 谱学技术具有直接探测生物体系超快结构动力学过程的优良潜力。与此同时，OKE避免了其它太赫兹振动光谱技术中由于水吸收谱峰或瑞利散射谱峰过强而导致的问题。然而由于定量破译复杂溶液体系OKE信号中的结构动力学信息非常困难，该技术生物分子体系中的应用仍受到极大制约。与在许多当代谱学研究中一样，理论模拟对突破这一限制将起到至关重要的作用。但因为缺乏统一的可极化分子相互作用模型来同时描述复杂生物大分子溶液体系构象涨落和在光谱精度上精确计算体系极化率，溶液中生物分子体系的OKE光谱被认为迄今为止无法被精确模拟。
　　在国家自然科学基金项目和海西研究院两所融合重点项目的资助下，福建物构所结构化学国家重点实验室庄巍课题组与西湖大学黄晶课题组合作，首次发展出基于Drude/MPID统一可极化分子相互作用模型的方法，对水溶液中溶解酶蛋白(lysozyme)-三乙酰壳三糖(NAG3)配体结合体系的太赫兹OKE光谱，及其与无配体(仅有酶蛋白与水)体系信号的差谱进行了精确模拟，并通过拆分差谱信号定量确认了其中酶蛋白，水和配体各自的贡献。进一步的分析表明差谱信号中蛋白的贡献主要来自高极性的芳香残基的结构动力学涨落在配体插入前后的微妙差别。而水的贡献则主要来自配体与蛋白内壁共同锁住的受限水的转动。通过对蛋白突变体(mutant)类似信号的模拟分析及与野生类型(wildtype)信号的比较，本工作揭示了OKE信号对酶-配体结合情况微小变化的高度敏感性 (以往的工作表明圆二色谱和荧光谱等常用技术对这一变化并不敏感)。另外，通过将差谱信号与一个包含不关联的蛋白与配体部分的假想体系信号进行对比，本工作揭示了单纯的蛋白-配体结合活动本身在OKE信号中的显著响应。
　　综上所述，这一工作系统地揭示了太赫兹OKE技术在复杂生物分子体系皮秒尺度结构动力学过程及其生化相关性研究中的潜力，以及理论模拟能够起到的重要作用。上述研究成果发表在《美国化学会志(金版)》（JACS Au）。福建物构所庄巍，西湖大学黄晶为本文的共同通讯作者，福建物构所潘志君博士(现任职深圳湾实验室)为本文第一作者。
　　文章链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacsau.1c00356


        文章来源：福建物构所
        庄巍, 男，1976年6月生, 现为中国科学院福建物质结构研究所研究员，课题组长，博士生导师。2000年本科毕业于中国科技大学少年班系。2003年硕士毕业于美国罗切斯特大学。之后至美国加州大学欧文分校攻读博士，师从著名理论化学家Shaul Mukamel教授。其间主持发展了在本领域内有一定影响力的非线性光谱计算软件SPECTRON。2007年赴劳伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究。2009年,入选中国科学院大连化学物理研究所“百人计划”，并被聘任为研究员兼大分子体系动力学及超快光谱理论研究组组长。主要从事分子反应动力学和超快光谱的理论研究，取得了国家自然科学基金委青年基金、国家自然科学基金委重点项目、大连化物所创新基金等支持。2010年度荣获中国科学院大连化物所知识创新工程“冠名奖”青年优秀奖，2012年度被评为中国科学院大连化物所优秀博士后合作导师并荣获“大连市侨界青年之星”荣誉称号。2015年当选为全国青联委员（科技界别）。2015年12月进入中国科学院福建物质结构研究所并被聘任为研究员，2016年入选海西院百人计划。

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