硅氧寡聚体在生物分子表面的吸附机制：基于经典分子动力学的原子探针断层扫描结构动力学研究

本研究通过经典分子动力学(MD)模拟，系统揭示了硅氧单体(Si(OH)4 )与寡聚体(Si2 O7 H6 /Si3 O10 H8 )在蛋白质表面的差异吸附行为，发现二聚体和三聚体通过氢键网络优先结合于无序蛋白区域，为原子探针断层扫描(APT)技术应用于生物大分子三维重构提供了关键理论支撑。

　　

在结构生物学领域，解析生物大分子的三维结构始终是理解其功能机制的关键。虽然X射线晶体学和冷冻电镜(cryo-EM)等技术已取得巨大成功，但对于柔性蛋白区域和瞬时构象的捕捉仍存在技术瓶颈。原子探针断层扫描(APT)作为一种新兴的空间分辨质谱技术，通过在非晶态二氧化硅基质中封装生物分子并进行激光烧蚀，有望实现单分子水平的结构解析。然而，这一技术的核心挑战在于：硅氧基质如何在不破坏生物分子天然构象的前提下实现均匀包覆？

为回答这个问题，由欧洲MIMOSA项目资助的研究团队在《Computational and Structural Biotechnology Journal》发表了重要成果。研究人员采用经典分子动力学(MD)模拟方法，系统研究了硅氧单体及其寡聚体在五种典型蛋白质（包括泛素、SUMO-1、EGFP、溶菌酶T4和Aβ_1-40
）表面的吸附动力学。通过构建"对照组"、"单体组"和"混合组"三种模拟体系，运用径向分布函数(RDF)和溶剂可及表面积(SASA)等分析手段，结合二级结构聚类算法，揭示了硅氧基质形成的分子机制。

【材料与方法】
研究采用Gromacs 2021.5软件进行微秒级MD模拟，使用Amber ff14SB和PolCAFF力场分别处理蛋白质和硅氧分子。通过构建360 mM浓度的模拟体系，比较了纯水环境(control)、仅含单体(monomeric)及混合单体/二聚体/三聚体(mixed)三种场景。采用VMD软件生成三维密度图，并运用MDAnalysis工具包进行构象聚类分析，特别针对Aβ_1-40
的无序区域进行了二级结构演化追踪。

【3.1 硅氧包覆模式与结构决定因素】
研究发现所有硅氧物种均能在蛋白质表面形成4?内的"第一包覆层"，但二聚体和三聚体表现出显著更强的吸附倾向。通过3D密度图可见，硅氧寡聚体优先聚集在蛋白质的柔性区域，如EGFP的周边环区和SUMO-1的末端，而结构稳定的β桶核心区吸附较少。这种选择性吸附使得蛋白质SASA减少了45-50%。

【3.2 蛋白质结构域异质性包覆】
接触分析热图显示，无序结构域与硅氧寡聚体的接触频率是单体的2-3倍。特别是富含亲水氨基酸的区域，通过形成更多氢键实现稳定吸附。相比之下，全α螺旋的溶菌酶T4表现出均匀但较弱的吸附模式，证实结构柔性是影响包覆效率的关键因素。

【3.3 无序区域结构动力学的调控】
RMSF分析揭示硅氧寡聚体可显著抑制无序区域的波动幅度。在Aβ_1-40
体系中，混合组使30-38位残基的瞬态螺旋构象稳定性提高40%，这与早期圆二色谱实验结果相符。构象聚类分析进一步证实，硅氧基质能稳定某些亚稳态的螺旋结构，改变无序蛋白的构象分布。

【结论与展望】
该研究首次从原子尺度阐明了APT技术中硅氧基质形成的动力学机制，证实二聚体和三聚体通过增强的氢键网络优先包覆无序蛋白区域。这一发现不仅为APT生物应用提供了理论指导，更启示该技术可能成为研究固有无序蛋白(IDPs)构象景观的新工具。特别值得注意的是，硅氧基质对亚稳态构象的选择性稳定作用，为捕捉蛋白质折叠中间态提供了新思路。随着Eriksson团队将APT拓展至金纳米颗粒-蛋白质复合体系，该技术有望在生物-无机界面研究中发挥更大作用。未来研究可进一步探索硅氧聚合程度与生物分子刚性之间的定量关系，优化APT实验方案。