基于分子模拟的IVb型菌毛蛋白在石墨烯界面聚集热力学研究：自由能分析揭示生物膜粘附分子机制

本研究通过分子动力学模拟探讨硫酸盐还原菌（SRB）IVb型菌毛蛋白（Flp）在石墨烯界面的吸附机制与聚集行为。文章揭示蛋白质通过范德华作用物理吸附于石墨烯表面（结合自由能-34.68 kcal/mol），并发生α螺旋构象变化（RMSD从1.378 ?增至3.5 ?）。研究发现石墨烯可增强蛋白聚集（接触面积从350 ?2增至500 ?2），为开发抗生物腐蚀石墨烯涂层提供了分子层面理论依据。

　　

^研究亮点

^{研究局限性}

尽管我们的分子动力学模拟提供了菌毛蛋白-石墨烯吸附和聚集的原子级分辨率，但仍需注意若干局限性。相对较短的模拟时间尺度可能无法捕捉长期构象变化或多步粘附过程。力场约束也意味着界面处的极化效应和电子贡献仅被近似处理而非显式计算。此外，我们的模型系统考虑的是孤立菌毛蛋白在水溶液中的行为，未包含更复杂的生物环境因素（如细胞膜环境或群体感应信号分子）。

^{未来研究方向}

虽然我们的分子动力学模拟提供了Flp菌毛蛋白-石墨烯相互作用的详细分子见解，但仍需未来研究验证这些预测并评估其实际相关性。可通过原子力显微镜（AFM）基于力谱技术在单分子水平进行实验验证，直接测量菌毛蛋白在石墨烯表面的结合力和构象变化。在细胞水平，可将奥莱德硫酸弧菌G20培养于石墨烯涂层表面进行生物膜实验，通过突变菌株比较来验证Flp在生物膜粘附中的功能作用。扩展模拟可探索氧化石墨烯（GO）或还原氧化石墨烯（rGO）等修饰石墨烯表面的相互作用，这些表面具有不同的化学官能团和亲疏水性。最后，将时间尺度延长至微秒级的增强采样模拟可捕获更复杂的蛋白质折叠/去折叠路径，而粗粒度模型则适合研究多蛋白聚集过程。

^结论

总之，本研究阐明了奥莱德硫酸弧菌G20中菌毛蛋白的基因组基础和分子动力学特性，重点探讨了其与石墨烯表面的相互作用。基因组挖掘揭示了flp/fap菌毛操纵子与组装蛋白（CpaB/RcpC、RcpA）及紧密粘附（tad）系统共存，这与革兰氏阴性菌中的IVb型菌毛特征一致。鉴于Flp菌毛蛋白在启动粘附和聚集过程中的核心作用，我们通过全原子分子动力学模拟探索了其行为。研究证明Flp菌毛蛋白通过多重范德华相互作用物理吸附于石墨烯，结合自由能为-34.68 kcal/mol。吸附诱导了构象变化，α2螺旋向石墨烯表面弯曲而α1螺旋远离表面，导致RMSD从1.378 ?增加至3.5 ?。值得注意的是，石墨烯表面通过增加接触表面积（约500 ?2）显著促进蛋白质聚集，相较于体相水中的聚集（350 ?2）更为显著。这些发现为理解生物膜在二维材料上的初始粘附机制提供了分子层面的见解，并指导设计新型石墨烯基涂层以抑制微生物定植和生物腐蚀。通过揭示蛋白质-材料界面相互作用的能量景观和构象动力学，本研究为开发针对硫酸盐还原菌相关生物腐蚀的有效防护策略奠定了理论基础。