胶原蛋白原纤维的Martini 3粗粒化模型开发与验证

本研究针对胶原蛋白力学特性研究中全原子模拟计算耗时、粗粒化模型无法解析残基水平力学响应的问题，开发了基于Martini 3力场的胶原纤维计算模型。通过平衡与非平衡分子动力学模拟验证，该模型成功再现了实验数据和全原子模拟结果，为研究年龄相关组织力学变化及仿生材料设计提供了新工具。

　　

胶原蛋白作为动物界尤其是哺乳动物中最丰富的蛋白质之一，广泛存在于骨骼、韧带等结缔组织中，持续承受着机械力的作用。交联结构对胶原蛋白的结构完整性和力学性能具有决定性影响，直接关系到组织的刚度和强度。然而，现有研究手段存在明显局限：全原子分子动力学模拟虽然精度高，但计算资源消耗巨大，严重限制了可模拟的时间和空间尺度；而传统粗粒化方法又无法在残基水平解析力学响应，难以体现胶原特有的三螺旋结构和交联网络的连续性。这种技术瓶颈阻碍了我们对胶原力学性能与年龄相关变化机制的深入理解。

为解决这一难题，来自马克斯·普朗克聚合物研究所的Matthias Brosz等研究人员在《Biophysical Journal》上发表了最新研究成果，开发并验证了基于Martini 3粗粒化力场的胶原纤维计算模型。该研究通过系统的参数化过程，首次在粗粒化水平实现了对胶原纤维结构及其交联网络的精确描述。

研究团队主要采用了几项关键技术方法：基于Martini 3力场的参数化开发、大规模平衡分子动力学模拟、非平衡分子动力学拉伸模拟，并通过与实验数据和全原子模拟结果的对比进行模型验证。所有模拟均采用标准分子动力学软件完成，模型参数来源于对胶原蛋白结构的详细分析。

模型构建与参数化

研究人员首先对胶原蛋白的三螺旋结构进行系统分析，基于Martini 3力场的珠粒映射规则，将氨基酸残基映射为粗粒化珠粒。特别针对胶原特有的Gly-X-Y重复序列和交联位点进行了专门参数化，确保模型能够准确反映胶原纤维的结构特征。

平衡态性质验证

通过长时间的平衡分子动力学模拟，研究团队验证了模型在生理条件下的稳定性。模拟结果显示，构建的胶原纤维模型能够保持稳定的三螺旋结构，其径向分布函数和回旋半径等结构参数与实验值高度吻合，证明了模型在平衡态下的可靠性。

力学性能测试

采用非平衡分子动力学模拟方法，研究人员对胶原纤维进行了拉伸测试。结果表明，该模型能够准确再现胶原蛋白的力学响应曲线，包括初始弹性区、屈服点和断裂强度等关键力学参数。与全原子模拟结果的对比显示，粗粒化模型在保持计算效率的同时，成功捕获了胶原纤维在受力过程中的主要特征。

交联网络分析

针对不同交联密度和分布模式，研究团队系统分析了交联对胶原纤维力学性能的影响。模拟发现，交联网络的形成显著提高了胶原纤维的刚度和强度，且交联分布的不均匀性会导致力学性能的局部异质性，这一发现为理解年龄相关组织力学变化提供了分子层面的解释。

研究结论表明，基于Martini 3力场开发的胶原纤维粗粒化模型成功克服了传统模拟方法的局限性，在计算效率和分辨率之间实现了良好平衡。该模型不仅能够准确再现胶原蛋白的结构和力学特性，还为研究交联网络的功能提供了有效工具。由于交联类型和分布随年龄增长而发生显著变化，这一模型有望为揭示年龄相关组织力学性能退化机制提供重要见解，同时也可指导新型仿生材料的设计与开发。这项研究建立的模拟框架为胶原蛋白及相关组织工程研究提供了强有力的计算平台，推动了多尺度生物力学研究的发展。