Martini 3力场兼容的粗粒化RNA模型开发及其在RNA-蛋白质复合体模拟中的应用

本研究针对Martini力场缺乏高精度RNA粗粒化模型的问题，开发了与Martini 3兼容的RNA参数化方案。通过结合自上而下和自下而上方法，优化非键相互作用参数并引入弹性网络，成功实现了从碱基、单/双链RNA到核糖体级复合体的稳定模拟，为大规模显式溶剂分子动力学研究提供新工具。

　　

在分子模拟领域，RNA结构的动态研究长期面临全原子模型计算成本高、传统粗粒化模型精度不足的双重挑战。尤其当涉及核糖体等巨型RNA-蛋白质复合体时，现有力场往往难以兼顾计算效率与结构保真度。这一瓶颈严重制约着对RNA折叠、分子识别等关键生物学过程的研究。

美国亚利桑那州立大学物理系（Arizona State University, Department of Physics）的Danis Yangaliev和S. Banu Ozkan团队在《Biophysical Journal》发表的研究中，开发出与Martini 3力场完全兼容的粗粒化RNA模型。该工作通过创新性地结合溶剂分配自由能计算与原子尺度势能均值力（PMF）分析，首次实现了在20 fs标准步长下对tRNA等复杂结构的稳定模拟，其精度显著优于前代Martini 2模型。

研究采用三大关键技术：1）基于核苷酸碱基在极性/非极性溶剂中分配系数的非键参数优化；2）通过全原子双链RNA模拟校准键合相互作用；3）针对特殊构象（如tRNA三叶草结构）设计弹性网络约束。这些方法使模型能同时捕捉单链柔性、双链稳定性及三级结构特征。

【模型参数化策略】

通过量化核苷酸在异丙醇/水体系的分配系数，建立极化率依赖的珠-珠相互作用参数。结合腺嘌呤-尿嘧啶等碱基对的PMF曲线优化，使疏水堆积和氢键相互作用能精确匹配全原子模拟结果。

【结构保真度验证】

对比实验数据显示，新模型将双链RNA的螺旋上升角误差从Martini 2的15°降至3°，碱基倾斜角标准差改善40%。弹性网络的引入使tRNA的RMSD（均方根偏差）在1μs模拟中稳定在2.5?以内。

【复合体模拟突破】

在70S核糖体测试中，模型成功维持了16S rRNA与30余种 ribosomal proteins（核糖体蛋白）的界面接触，首次实现粗粒化尺度下完整翻译机器的毫秒级模拟。

该研究的核心突破在于建立了首个能同时满足Martini 3兼容性、毫秒级模拟稳定性与原子尺度精度的RNA力场。其参数化策略的创新性体现在：1）通过溶剂分配实验数据约束非键参数，使疏水效应定量化；2）采用全原子PMF作为粗粒化势能的"黄金标准"；3）模块化弹性网络设计实现对特定结构的可编程约束。这些进展为研究RNA病毒包装、剪接体动力学等需要多尺度描述的生物过程提供了不可替代的工具。特别值得注意的是，模型在核糖体模拟中的成功，预示着其在翻译调控机制研究中的广泛应用前景。