血红素模型体系多自旋态可变电荷力场开发

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21873034
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0301.化学理论与方法
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Spin crossover is a major feature of two states reaction mechanism, which exists broadly in reactions of transition metal enzymes. At the same time, spin crossover makes a new challenge to force field development of these systems. Two questions should be addressed in the development of the force field for these systems. Firstly, the force field should be able to describe multi spin states simultaneously. Secondly, new methods should be adopted to calculate the switching probability in spin crossover region. Currently, force field that fit both of these features is still rarely reported. In this project, we proposed to development of multi spin states updateable charge force filed for heme models and apply the force field to multi spin states molecular dynamic simulation. At the first place, we use data driving model to build multi spin states updateable charge force filed. The trajectory of on-the-fly molecular dynamic simulation would be clustered into several classes and each class is represented by a structure. The multi spin states parameters of interested structures would, then, be calculated by a weighted average method. Meanwhile, the modified Zhu-Nakamura method is introduced into molecular dynamic simulation for calculating the switching probability in spin crossover region. This algorithm requires only energy and grad as input, both of which are outputs from force field. The multi spin states molecular dynamic simulations will be performed in the project and with heme model system as test. This strategy is also helpful to the developments of force fields for other transition metal enzymes.
自旋交叉在含过渡金属的酶催化反应中广泛存在,是两态反应体系的重要特征,给这些体系的力场开发提出了新的挑战。主要表现在两个方面,一是需要力场能够同时描述多个自旋态,二是在自旋交叉区域,需要根据力场直接计算跃迁几率。目前,同时满足这两个要求的力场鲜有报导。本项目拟开发多自旋态可变电荷力场,以血红素模型体系为代表实现多自旋态的分子动力学模拟。首先,为了使力场能够描述多自旋态,拟从数据驱动的思想出发,采用从头算动力学方法采样构建结构数据集,通过聚类、网络等方法对数据集和轨迹进行分析获得代表结构集,采用代表结构加权的方法实时预测各自旋态电荷,开发多自旋态可变电荷力场。其次,在分子动力学中引入Zhu-Nakamura非绝热跃迁算法处理自旋交叉过程,这一算法只需要力场提供能量和梯度作为输入,可实现血红素模型体系多自旋态的分子动力学模拟。本项目研究思路具有很好的可拓展性,可为其它类似力场的研究提供借鉴。

结项摘要

自旋交叉在含过渡金属的酶催化反应中广泛存在,是两态反应体系的重要特征,给这些体 系的力场开发提出了新的挑战。主要表现为需要力场能够同时描述多个自旋态和在自旋交叉区域,需要根据力场直接计算跃迁几率。本项目开发了多自旋态可变电荷力场,以血红素模型体系为代表开发了多自旋态的分子动力学模拟程序,在分子动力学中引入Zhu-Nakamura非绝热跃迁算法处理自旋交叉过程,这一算法只需要力场提供能量和梯度作为输入,可实现血红素模型体系多自旋态的分子动力学模拟。. 项目研究中,以血红素体系为代表,基于从头算动力学方法产生代表性结构,优化了数据集构建方法,发展了ATSF描述符,采用随机森林方法开发了多自旋组态可变电荷力场; 基于多自旋态可变电荷力场的思想,将机器学习力场方法进一步用于糖类分子的异构势能面计算,在力场精度、偶极矩方面比传统力场有提升,特别是偶极矩在没有经过学习就可以预测,说明力场具有一定的可解释性。通过水合自由能和糖类分子与蛋白相互作用能测试,力场表现均较传统力场有提升; 以偶氮苯分子为例,测试了可变电荷力场在光致顺反异构分子基态和激发态力场的表现,对异构化势能面的分析表明,直接预测电荷精度不足,需要预测激发态的能量和梯度。采用Python程序的PY4MPI结构,组合Tinker程序和机器学习力场预测程序,实现了多自旋态自旋交叉区域的模拟。

项目成果

期刊论文数量(16)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Hybrid Molecular Dynamics for Elucidating Cooperativity Between Halogen Bond and Water Molecules During the Interaction of p53-Y220C and the PhiKan5196 Complex
杂化分子动力学用于阐明 p53-Y220C 与 PhiKan5196 复合物相互作用过程中卤素键与水分子之间的协同作用
  • DOI:
    10.3389/fchem.2020.00344
  • 发表时间:
    2020-05-07
  • 期刊:
    FRONTIERS IN CHEMISTRY
  • 影响因子:
    5.5
  • 作者:
    Dong,Tian-ge;Peng,Hui;Gao,Jun
  • 通讯作者:
    Gao,Jun
Identification of novel proteolytically inactive mutations in coronavirus 3C-like protease using a combined approach
使用组合方法鉴定冠状病毒 3C 样蛋白酶中的新型蛋白水解无活性突变
  • DOI:
    10.1096/fj.201901624rr
  • 发表时间:
    2019-12-01
  • 期刊:
    FASEB JOURNAL
  • 影响因子:
    4.8
  • 作者:
    Zhou, Junwei;Fang, Liurong;Xiao, Shaobo
  • 通讯作者:
    Xiao, Shaobo
Toward the Prediction of Multi-Spin State Charges of a Heme Model by Random Forest Regression
通过随机森林回归预测血红素模型的多自旋态电荷
  • DOI:
    10.3389/fchem.2020.00162
  • 发表时间:
    2020-03
  • 期刊:
    FRONTIERS IN CHEMISTRY
  • 影响因子:
    5.5
  • 作者:
    Zhao Wei;Li Qing;Huang Xian-Hui;Bie Li-Hua;Gao Jun
  • 通讯作者:
    Gao Jun
Molecular mechanism of methyl-dependent and spatial-specific DNA recognition of c-Jun homodimer
c-Jun同型二聚体甲基依赖性和空间特异性DNA识别的分子机制
  • DOI:
    10.1007/s00894-021-04840-y
  • 发表时间:
    2021-08-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF MOLECULAR MODELING
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    Bie,Li-Hua;Fei,Jun-Wen;Gao,Jun
  • 通讯作者:
    Gao,Jun
Structural Insights into the Cofactor Role of Heparin/Heparan Sulfate in Binding between the SARS-CoV-2 Spike Protein and Host Angiotensin-Converting Enzyme II
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  • DOI:
    10.1021/acs.jcim.1c01484
  • 发表时间:
    2022-01
  • 期刊:
    Journal of Chemical Information and Modeling
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
    Xiaocong Wang;Lihua Bie;Jun Gao
  • 通讯作者:
    Jun Gao

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血浆微小核糖核酸联合检测对胰腺癌的诊断价值
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其他文献

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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