[论文解读] Chain-Growth Simulations of Lattice-Peptide Adsorption to Attractive Substrates

Michaël Bachmann, Wolfhard Janke|ArXiv.org|Oct 23, 2007

Supramolecular Self-Assembly in Materials被引用 3

一句话总结

本研究采用接触密度链式生长算法，模拟了在吸引性基底上103残基的晶格肽，实现了对所有温度和溶剂质量的系统重加权。关键贡献在于揭示了丰富、基底特异性的构象转变伪相图，包括类似一级相变的吸附/脱附转变以及类似二级相变的紧密-展开转变，且在吸附态中存在显著的亚相结构。

ABSTRACT

Based on a newly developed contact-density chain-growth algorithm, we have simulated a nongrafted peptide in the vicinity of different attractive substrates. We analyzed the specificity of the peptide adsorption by focussing on the conformational transitions the peptide experiences in the binding/unbinding processes. In a single simulation run, we obtained the contact density, i.e., the distribution of intrinsic monomer-monomer contacts and monomer-substrate nearest-neighbor contacts. This allows a systematic reweighting to all values of external control parameters such as temperature and solvent quality after the simulation. The main result is the complete solubility-temperature pseudo-phase diagram which is based on the corresponding specific-heat profile. We find a surprisingly rich structure of pseudo-phases that can roughly be classified into compact and expanded conformations in both regimes, adsorption and desorption. Furthermore, underlying subphases were identified, which, in particular, appear noticeably in the compact pseudo-phases.

研究动机与目标

• 研究肽在对疏水和极性残基亲和力不同的基底上的吸附特异性。
• 理解溶剂质量与温度如何影响非接枝肽在吸附表面附近的构象转变。
• 利用单次模拟运行结合重加权能力，绘制完整的构象态伪相图。
• 识别并表征吸附与脱附区域内的亚相结构，特别是紧密与展开构象中的亚相。
• 探索在不同环境条件下，肽结合、重构和脱附的热力学与结构基础。

提出的方法

• 采用接触密度链式生长算法，在单次模拟运行中采样由单体-基底接触数（$n_s$）和疏水接触数（$n_{\rm HH}$）定义的所有宏观态。
• 该方法可系统性地重加权至所有温度（$T$）和溶剂质量（$s$）值，避免了传统蒙特卡罗方法的缓慢问题。
• 系统的能量定义为 $E_s(n_s, n_{\rm HH}) = -n_s - s n_{\rm HH}$，其中 $s$ 控制溶剂质量。
• 系统被限制在具有吸引性基底和位于 $z_w = 200$ 处的中性壁的空腔中，以规范未结合构象。
• 通过最小化 $F_{T,s}(n_s^{(0)}, n_{\rm HH}^{(0)})$ 识别自由能极小值，进而映射出 $T \in [0,10]$ 和 $s \in [-2,10]$ 范围内的伪相图。
• 通过比热谱和接触密度分布分析构象转变，根据接触数的不连续性将转变分类为一级或二级相变类似。

实验结果

研究问题

• RQ1 溶剂质量（$s$）如何影响不同基底上吸附肽构象的稳定性和结构？
• RQ2 吸附与脱附状态之间构象转变的本质与特征是什么？
• RQ3 吸附区域内部是否存在明显亚相，其如何依赖于基底特异性和温度？
• RQ4 疏水与极性残基相互作用如何与基底结合竞争，从而决定肽的构象景观？
• RQ5 熵与焓在驱动从单层到多层，最终到脱附并展开的构象转变中起何作用？

主要发现

• 伪相图揭示了丰富的构象态结构，包括紧密相（AC1、AC2、AG）和展开相（AE、DE），各相之间存在明确的转变。
• 在 $s = 2.5$ 时，$T \approx 0.35$ 处发生一级相变类似转变，表现为第二吸附层的形成以及接触数的急剧变化。
• 从 AC2 到 AG 再到 AE 的转变是二级相变类似，表现为疏水接触数和基底接触数的渐变，表明构象演化平滑。
• 在 $T \approx 2.14$ 附近的解吸转变也是第一级相变类似，表现为吸附与脱附构象共存，且基底接触数急剧减少。
• 亚相在紧密伪相中尤为显著，特别是在 AC1 和 AC2 区域，表明表面结合与疏水核心形成之间存在复杂相互作用。
• 该方法成功捕捉了完整的热力学景观，包括具有56个疏水接触的基态和 $10^{16}$ 的简并度，尽管模型为粗粒度。