一种多尺度模拟框架，用于阐明复杂生物分子环境中光开关配体的光化学结构-活性关系

《Journal of Chemical Information and Modeling》：A Multiscale Simulation Framework for Elucidating Photochemical Structure–Activity Relationships of Photoswitchable Ligands in Complex Biomolecular Environments

光化学结构-活性关系（photo-SAR）预测与多尺度模拟框架

　　在生物分子环境中预测光化学结构-活性关系（photo-SAR）仍然是一个具有挑战性的课题。这主要归因于复杂的蛋白质-配体相互作用、多个电子态中的强电子相关性、耦合的核与电子动力学，以及蛋白质构象的灵活性。为了解决这一问题，我们开发了一种统一的多尺度模拟框架，该框架整合了第一性原理非绝热动力学、激发态增强采样和基态化学能自由能计算。通过将这一方法应用于光致变构配体——光静素（photostatins，PSTs），我们验证了预测结果与大量实验数据的符合性，包括超快时间分辨晶体学、吸收光谱和与异构体相关的生物活性实验。我们的模拟首次揭示了非辐射衰减速率与激发态自由能表面之间的直接相关性，这些自由能表面由取代基、蛋白质静电场和立体限制共同调节。具体而言，蛋白质静电场加速了激发态的弛豫，而立体约束则起到抑制作用。这两种因素的平衡决定了PST衍生物的激发态动力学趋势。此外，我们的研究还表明，光异构化量子产率取决于两个因素：（1）在非辐射衰减过程中，扭转运动方向与非绝热耦合矢量的对齐程度；（2）向后基态异构化的倾向性，这些都由蛋白质-配体相互作用所塑造。最后，我们发现，在所测试的自由能方法中，热力学积分（thermodynamic integration，TI）最准确地捕捉了取代基对异构体之间结合亲和力差异的影响，这是减少暗适应状态下其脱靶效应的关键指标。

本研究构建了一个稳健的计算平台，用于准确预测光致变构配体在生物分子系统中的光动力学和光响应结合亲和力。同时，它还提供了关于光致变构配体设计的全新机制见解，有助于在生物和生物医学应用中进行理性设计。通过这种方法，我们不仅能够理解光致变构配体在不同环境下的行为，还能预测其在生物分子环境中的光化学性质，从而为药物设计提供新的思路。

在生物分子环境中，光致变构配体的光化学行为受到蛋白质静电场和立体限制的显著影响。蛋白质静电场通过增强激发态与基态之间的相互作用，促进光异构化过程的加速。而立体限制则通过限制分子运动，减缓光异构化过程。这种双重影响的平衡决定了光致变构配体的光响应特性。此外，我们还发现，取代基的电子性质对光异构化量子产率具有显著影响。例如，电子供体基团如甲氧基（-OCH?）的引入可以增加基态与激发态之间的能量差，从而降低光异构化过程中向基态回转的倾向，提高量子产率。而电子受体基团则可能相反，导致更慢的光异构化过程。

为了进一步验证这一结论，我们对光静素（PSTs）的光异构化量子产率进行了详细分析。我们发现，在蛋白质环境中，PSTs的光异构化量子产率普遍高于在水溶液中的情况。这一现象可以归因于蛋白质环境对光异构化过程的促进作用。例如，PST7在蛋白质环境中的量子产率（325 ± 30 fs）比在水溶液中的情况（278 ± 25 fs）有所增加。而PST27则表现出相反的趋势，其在蛋白质环境中的量子产率（71 ± 3 fs）低于在水溶液中的情况（280 ± 20 fs）。这一现象表明，不同的取代基在不同的环境中对光异构化量子产率的影响存在显著差异。

此外，我们还发现，取代基的立体效应对光异构化过程具有重要影响。例如，PST27的取代基在结构上更为紧凑，这可能导致其在蛋白质环境中的光异构化过程受到更大的限制。这种限制可以通过计算接触数（contact number）来量化。接触数是指在蛋白质和水分子中与配体原子距离小于2.5 ?的原子数量，而接触数的方差则反映了配体与周围环境之间的相互作用强度。在蛋白质环境中，所有PSTs的接触数方差均小于在水溶液中的情况，这表明蛋白质环境对光异构化过程的限制作用更为显著。

在研究过程中，我们还发现，蛋白质环境对光异构化过程的影响不仅限于能量和动力学，还涉及光异构化路径的多样性。在蛋白质环境中，PSTs的光异构化路径主要集中在某个特定的锥形交点（conical intersection，CI）区域，而在水溶液中，光异构化路径则更为广泛。这一发现表明，蛋白质环境对光异构化路径的限制作用可以显著改变光异构化过程的动力学特征。

通过本研究，我们不仅揭示了光致变构配体在生物分子环境中的行为机制，还验证了多种计算方法在预测其光化学性质方面的准确性。其中，热力学积分（TI）方法在预测取代基对光致变构配体结合亲和力差异的影响方面表现出较高的准确性，而分子力学泊松-玻尔兹曼表面积（MM/PBSA）方法则在预测相对结合亲和力方面存在一定的局限性。这些发现为光致变构配体的设计和优化提供了重要的理论依据。

综上所述，本研究通过整合多种计算方法，为理解光致变构配体在生物分子环境中的行为提供了新的视角。我们发现，蛋白质静电场和立体限制对光异构化过程具有显著影响，而取代基的电子和立体效应则在不同环境中表现出不同的作用。这些发现不仅有助于光致变构配体的合理设计，还为计算化学和药物设计领域提供了新的研究方向。通过本研究，我们希望为未来在生物医学应用中开发光响应药物提供理论支持和技术指导。