全原子模型揭示高浓度葡聚糖溶液的结构与动力学特性

推荐：研究人员针对高浓度葡聚糖溶液分子机制不清的问题，通过全原子力场分子动力学模拟，首次解析了61-mer葡聚糖在300 g/L浓度下的构象多样性、半径（Rg ）及扩散行为，发现其构象从紧缩到伸展连续分布且浓度依赖性动力学减缓，为食品/医药领域多糖应用提供原子级理论支撑。

　　

在食品工业、医药和生物技术领域，葡聚糖（dextran）作为一种由D-葡萄糖通过α(1–6)糖苷键连接的多糖，因其优异的保水性、增稠性和生物相容性被广泛用作乳化剂、血浆扩容剂和分子拥挤剂。然而，高浓度条件下其溶液的结构与动力学特性长期缺乏原子尺度的认知，这直接影响了其在药物递送系统或细胞拥挤环境模拟中的应用效果。传统实验手段如粘度测定、光散射等虽能获得宏观参数，但无法揭示分子构象多样性、糖苷键取向等关键细节。更棘手的是，现有分子动力学（MD）模拟对多糖的力场（FF）参数化尚不完善，此前仅对稀溶液或固定化凝胶有过尝试，导致300 g/L等高浓度体系的模拟成为空白。

针对这一挑战，捷克科学院的?těpán Timr和Eva Pluha?ová团队在《Journal of Molecular Liquids》发表研究，首次采用全原子力场对61-mer葡聚糖溶液开展系列浓度（100-300 g/L）的分子动力学模拟。研究基于GLYCAM-Web的葡萄糖单体参数，通过polyply工具构建聚合物拓扑，经多阶段能量优化和溶剂化平衡后，利用GROMACS进行微秒级模拟。关键创新在于验证了该力场对高溶解度重现的有效性，并系统分析了构象分布、半径（R_g
）与实验值的吻合度、链段扩散及糖苷键相互作用。

参数化与系统构建
通过GLYCAM-Web获取葡萄糖单元拓扑，经acpype转换为GROMACS格式后，用polyply的gen_itp工具组装61-mer链。采用谐波势约束糖环构象，TIP3P水模型溶剂化，经11步渐进式能量最小化解决初始构象的高应力问题，最终在10 nm立方盒中构建1-18条链的系列浓度体系。

结构与构象分析
模拟成功再现了实验测得的R_g
值（约4.5 nm），并发现葡聚糖呈现从紧缩球状到伸展链状的连续构象谱，这主要由相邻葡萄糖单元的糖苷键（φ/ψ）二面角分布决定。浓度升高仅轻微改变链结构，但显著增加链间接触概率，200 g/L时每链接触数达2.5个。

动力学行为
扩散系数（D）随浓度增加呈渐进式下降，300 g/L时D值比稀溶液降低一个数量级。构象转变速率同样减缓，高浓度下糖苷键扭转能垒升高1.5倍，表明链运动受限于物理缠结而非化学键变化。

结论与意义
该研究首次实现高浓度葡聚糖溶液的全原子模拟，证实其非球形构象的多样性及浓度依赖的动力学减速机制。成果不仅为多糖力场开发提供范本，更对理解生物大分子拥挤效应、优化药物载体设计具有指导价值。例如，构象连续分布的特性解释了不同实验方法对R_g
测量的差异，而扩散数据可直接用于色谱基质筛选。未来可延伸至分支链或与其他生物分子共混体系的研究。