昆虫异源气味受体通道最优构架与分子机制解析：从分子动力学模拟到仿生电子鼻设计

本研究针对昆虫异源气味受体(OR-Orco)通道的化学计量比争议和激活机制不明等关键问题，通过分子动力学(MD)模拟技术，系统分析了飞蝗LmOR35-Orco异源四聚体在不同化学计量比(1OR:3Orco/2OR:2Orco/3OR:1Orco)下的空间构象，发现1OR:3Orco构架具有最优热稳定性，揭示了信息素4VA通过诱导S7b螺旋偏转开启离子通道的分子机制，为昆虫嗅觉调控机制提供了新见解，对杀虫剂设计和仿生传感器开发具有重要意义。

　　

昆虫拥有远超人工检测器的嗅觉系统，其核心元件——气味受体(Odorant Receptors, ORs)作为配体门控离子通道，由特异性气味感知的OR亚基和高度保守的辅助受体Orco组成。然而这个精妙的分子机器存在两大未解之谜：异源四聚体的精确化学计量比仍存争议，且配体如何触发通道开放的分子机制尚未阐明。这些知识空白严重制约了基于昆虫受体的仿生传感器开发和靶向杀虫剂设计。

西北工业大学的研究团队选择飞蝗聚集信息素受体LmOR35及其辅助受体LmOrco为研究对象，通过AlphaFold3建模结合分子动力学(MD)模拟技术，系统分析了1OR:3Orco、2OR:2Orco和3OR:1Orco三种化学计量比下的空间构象差异。研究首次发现1OR:3Orco构架在高温条件下表现出最低的骨架波动(

)和蛋白势能，且亚基间形成最多的盐桥(48对)和氢键(21对)，证实其具有最优热力学稳定性。这一发现为前人冷冻电镜研究中仅捕获到1OR:3Orco构象的现象提供了合理解释。

研究采用的关键技术包括：(1)基于AlphaFold3的异源四聚体建模；(2)分子对接预测4VA结合位点；(3)500ns全原子分子动力学模拟；(4)HOLE程序通道半径分析；(5)多物种OR序列保守性分析。所有模拟均在CHARMM36m力场和TIP3P水模型构建的膜-水系统中完成。

研究结果主要呈现四大发现：

最优构架的热力学特性
通过比较四种构型在30-100°C的MD模拟轨迹，1OR:3Orco展现出最小的回转半径波动(△Rg/Rg₀ <0.5%)和最低的蛋白势能(-1.2×10⁶ kJ/mol)，其稳定性源于Orco亚基83个残基组成的IL2结构域与相邻亚基的广泛互作。而3OR:1Orco构型在所有高温条件下均表现出最大变形趋势。

信息素诱导的通道开放机制
4VA结合引发OR亚基S7b螺旋产生9.44°偏转(

)，使通道瓶颈处V405(OR)-L480(Orco)距离从11.2?增至19.9?，形成半径约4?的孔道。值得注意的是，Orco亚基在此过程中保持静止(偏转仅0.71°)，证实其作为结构支架的功能。

配体识别关键残基
分子对接与轨迹分析共同鉴定出S194/S76(氢键供体)、F195/Y317(芳香族相互作用)等关键残基，这些残基在12组独立模拟中保持高度一致的接触频率(

)。特别发现W145在S3螺旋中作为支点，其构象变化会传导至S6螺旋，进而通过S5-S7b耦合引发通道开放。

进化保守的通道门控
序列分析揭示S7b螺旋末端残基(Q404/V405)在直翅目511个OR中高度保守，极性谷氨酰胺(Q)和疏水缬氨酸(V)的协同排布可能通过疏水-极性转换调控水合阳离子的通过。

这项发表于《Communications Biology》的研究首次从动力学角度阐明了昆虫异源气味受体的最优组装模式，提出"对称样"和"不对称"两种通道开放机制(

)。理论意义在于揭示了OR/Orco异源组装相较于OR同源四聚体的进化优势——减少配体结合亚基数量可提高嗅觉灵敏度；实践价值体现在为基于结构理性的杀虫剂设计提供了V405、Q479等关键门控残基的靶标，同时为开发高选择性仿生电子鼻奠定了理论基础。研究采用的"计算结构生物学"范式，为其他难以结晶的膜蛋白功能研究提供了可借鉴的方法学框架。