分子力传感器助力生物系统力学表征：基于计算机模拟的深度剖析

为解决体内生物分子力精确测量难题，研究人员开展 “分子力传感器用于生物系统力学表征的计算机模拟（In-Silico Analyses）” 研究。通过全原子分子动力学模拟，得出传感器力学性能与多种因素相关的结果，为传感器设计及实验数据解读提供依据。

　　在生物的世界里，从细胞的迁移到感官的感知，机械力都扮演着至关重要的角色。然而，想要在体内精准测量这些微小的力，却如同在微观宇宙中寻找一粒特定的尘埃，困难重重。传统的单分子力谱技术，如原子力显微镜（AFM）、光镊等，虽然在体外研究力诱导的生物分子结构变化时表现出色，但在活细胞检测中，却因外部扰动和微米级探针的限制而大打折扣。分子力传感器的出现，本应带来转机，可不同类型传感器的性能受多种因素影响，相关研究却并不完善。为了深入了解这些传感器的奥秘，来自美国俄亥俄州立大学（The Ohio State University）的研究人员 Diana M. Lopez、Carlos E. Castro 和 Marcos Sotomayor 开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《Biophysical Journal》上。
研究人员运用了全原子分子动力学（MD）模拟和 steered MD（SMD）模拟技术。他们构建了多种分子力传感器的全原子模型，包括肽基传感器和 DNA 基传感器。在模拟过程中，对这些模型进行能量最小化、平衡处理后，通过 SMD 模拟在恒定速度和恒定力的条件下拉伸传感器，进而分析其力学性能。
弹性研究：肽基传感器的力学特性
研究人员对蜘蛛丝（(GPGGA)_n）和合成（(GGSGGS)_n）两种肽基传感器在恒定速度拉伸下的弹性进行研究。通过对不同长度的肽基传感器进行全原子模型模拟，发现其力 - 延伸曲线呈现不同阶段。在蜘蛛丝传感器中，如 (GPGGA)₅，最初力随延伸近似线性增加，对应肽链伸直阶段，主要由熵弹性介导；随后力快速增加，涉及肽链骨架拉伸。模拟得到的弹簧常数与理论和实验值在一定程度上相符，不过，蜘蛛丝传感器在模拟中出现的力峰，可能是由于瞬态二级结构形成，这在实验中未被观察到。合成肽基传感器的力 - 延伸曲线与蜘蛛丝传感器相似，但力峰较少且不明显。
在恒定力拉伸实验中，肽链从紧凑构象向伸展状态转变。对于蜘蛛丝传感器，如 (GPGGA)₅，在不同力作用下延伸不同，且较小系统的弹簧常数随力增加而增大。合成肽基传感器的弹簧常数同样随力增加，但整体变化趋势更符合 Hookean 弹簧响应，且不同长度的合成肽基传感器弹簧常数呈现随长度增加而减小的趋势。
力学响应：DNA 基传感器的特性
对于 DNA 基传感器，研究人员对 18 bp 的双链 DNA（dsDNA）传感器进行模拟。在恒定速度拉伸下，从不同位置拉伸会产生不同的力 - 延伸曲线。从 P1 拉伸时，对应 DNA 解链，有小力峰；从 P2 拉伸，曲线分两个阶段，先延伸后力急剧增加；从 P3 拉伸，则兼具解链和剪切的特征。恒定力模拟预测出短暂的中间状态，且解链构型（P1）比剪切构型（P2）更快断裂。虽然模拟的断裂力比低加载速率下的实验值高，但不同拉伸构型的强度层次与实验结果一致。
研究结论与讨论
研究表明，肽基传感器的模拟刚度与理论和实验值相符，尽管模拟和实验的力条件不同。合成肽基传感器在力学响应上更具线性特征，可能更适合用于力传感器设计。蜘蛛丝基传感器形成的瞬态 β - 发夹结构会影响其弹性，在设计传感器时需加以考虑。同时，研究还发现选择合适的荧光蛋白 FRET 对会影响传感器的性能。对于 DNA 基传感器，其更适合检测对应双链解离的单一力水平。从 P2 拉伸的 DNA 传感器在特定距离范围内表现出 Hookean 弹簧行为，为设计连续或模拟读出力的传感器提供了思路，但拉伸 DNA 中间体的稳定性和寿命问题还需进一步研究。此外，模拟结果显示不同拉伸速度对肽基和 DNA 基传感器的影响不同，这为在不同生理条件下选择合适的传感器提供了参考。
这项研究通过计算机模拟，详细揭示了分子力传感器的力学性能与多种因素的关系，为传感器的选择、设计和优化提供了重要的指导，填补了理论与实验向实际应用转化的空白，对生物系统力学研究的发展具有重要推动作用。**