机器学习势及其在分子模拟中的应用综述

分子动力学模拟已经成为化工过程和技术研发的重要工具,但经典分子动力学模拟的精度不足和从头计算分子动力学模拟的高昂计算成本,制约了分子模拟技术的广泛应用。机器学习技术的出现和发展使得基于机器学习势的分子模拟快速发展起来,该方法兼具速度快与准确性高的优势,将极大地加速分子模拟技术在化工中的应用。首先回顾了机器学习势的发展历程,给出了构建机器学习势模型的原则,介绍了数据集构建、模型训练和模型迁移与应用等,分析了不同类型的机器学习势的特点和局限性,最后对机器学习势的应用前景进行了展望。

表面接枝季铵盐型聚合物的纤维素纤维——灭菌机理研究

以大肠杆菌JM10 5(E .ColiJM10 5)为模拟体系 ,系统研究一种新型聚阳离子型表面接触抗菌材料及其单体的抗菌过程和机理 .采用平板计数法测定该单体的最低抑菌浓度以衡量其抗菌能力 ,采用扫描电镜法和 β 半乳糖苷酶活性考察该单体对大肠杆菌的抑制作用过程及其机理 .分别采用静态和动态吸附法考察聚阳离子型表面接触抗菌材料对大肠杆菌的吸附性能 ,测定吸附在材料表面菌体TTC 脱氢酶的活性和菌体呼吸活性以揭示该材料的抗菌作用机理 ,并采用电镜观察抗菌纤维表面菌体形态随时间的变化 .结果表明 ,聚阳离子型表面接触抗菌材料的单体可导致大肠杆菌细胞壁破裂 ,由此破坏细胞膜并导致细胞凝聚而死亡 .该消毒剂的灭菌过程由吸附和杀灭两步构成 ,前者为快速过程 。

蛋白质-表面活性剂组装结构的分子模拟

采用Langevin分子动力学方法模拟β模型蛋白与表面活性剂在溶液中形成的各种组装结构,考察了表面活性剂疏水性强度与浓度对蛋白质分子构象的影响.结果显示:弱疏水性表面活性剂可以在蛋白质表面自组装形成限制性空间,使被包覆的蛋白质的立体结构更为稳定;强疏水性的表面活性剂则可以与蛋白质疏水核心区的疏水基团形成复合物,而使蛋白质的立体结构被破坏,即蛋白质发生去折叠.上述模拟可再现相关实验结果,其展现的蛋白质结构转换微观图景对于表面活性剂的分子设计及其应用于生物加工过程具有指导作用.

表面活性剂辅助蛋白质体外折叠:分子模拟

采用分子模拟方法考察表面活性剂与蛋白质分子之间的相互作用及其对蛋白质折叠过程热力学特性的影响,蛋白质分子构建采用HP模型并引入了方阱类势函数.模拟结果显示:模型蛋白分子的某些折叠中间态会陷入局部能量最低状态而无法完成折叠;弱疏水性表面活性剂对模型蛋白的稳定性影响小,但可有效地帮助处于局部能量最低状态的蛋白折叠中间态通过能量壁垒而实现折叠;强疏水性表面活性剂则可与蛋白质形成高稳定性的复合物而阻止折叠的进行,需将其脱除才能使折叠过程重新开始.模拟结果还显示:表面活性剂的加入会使蛋白质折叠中间态更加丰富,从而能够光滑折叠过程中的能量阱;表面活性剂与变性环境对于蛋白质的折叠具有协同效应.模拟结果与文献报道的实验结果具有一致性,显示分子模拟的方法在揭示蛋白质折叠过程的微观机理以及表面活性剂类折叠助剂的分子设计方面有很好的应用前景.

温敏型聚合物PNIPAAm辅助的溶菌酶体外复性

合成了 3种具有不同分子量的温敏型聚合物聚 (N 异丙基丙烯酰胺 ) (PNIPAAm) ,测定了其分子量分布以及相应的低临界溶解温度 (LCST) .在溶菌酶复性溶液中加入PNIPAAm可促进溶菌酶复性 ,其中采用中等分子量M—PNIPAAm(Mw 为 2 2× 10 4 g mol)时溶菌酶的复性效果最佳 ,并采用荧光发射光谱技术表征了PMIPAAm分子结构对于溶菌酶结构的影响 .系统考察了采用M—PNIPAAm时 ,复性液中尿素浓度、蛋白质浓度和温度等条件对溶菌酶复性效果影响 .结果显示尿素与M—PNIPAAm对于溶菌酶复性呈现协同效应 ,复性操作温度不仅同溶菌酶自身特性有关 ,而且还受到M—PNIPAAm自身性质变化的影响 .

利用体积排阻色谱法进行蛋白质折叠

以溶菌酶为模拟体系对体积排阻色谱法进行蛋白质折叠过程实验研究 .圆二色性光谱法分析结果证实了复性溶菌酶与天然溶菌酶的二级结构一致性 ;复性溶菌酶与天然溶菌酶色谱保留体积的差异揭示出折叠过程中无活性蛋白质聚集体的存在及其向复性蛋白质转化的机制 ;不同初始浓度的复性实验证实了蛋白质聚集体的存在及其与变性蛋白质初始浓度的关系 ;采用短色谱柱的折叠分离实验结果表明蛋白质折叠是一个快速过程 ;不同尿素浓度下的折叠分离实验结果表明尿素在SEC法中具有非常重要的作用 .与稀释复性法的对比实验表明 :体积排阻色谱法具有稀释倍数小、复性产品活性收率高、复性蛋白质浓度高等优点 .

蛋白质在溶液中构象转换的分子动力学模拟

将蛋白质的稳定和失活、折叠和去折叠等现象概括为蛋白质分子在溶液中的构象变化问题。采用非晶格模型和Langevin分子动力学方法研究了无限稀释溶液及不同尺度和不同表面亲/疏水性球形限制性空间内β模型蛋白的构象分布及其转换特性。模拟结果显示:尺寸适度的疏水性空间有利于蛋白质结构发生缩塌,而亲水性空间有利于缩塌态蛋白质结构的稳定,且表面亲/疏水性的影响作用随着空间半径的增大而减弱。计算结果与实验报道一致,为研究蛋白质分子在溶液中的折叠和稳定化提供了理论工具。

表面接枝季铵盐型高分子材料抗菌过程的特性研究

考察了一种表面接枝季铵盐型高分子材料对水溶液中大肠杆菌的抗菌过程特性 ,发现此材料可以在短时间内迅速降低溶液中的大肠杆菌的活菌量 .用菌体耗氧测定法与扫描电镜观察法研究了其抗菌过程 .结果表明 ,其抗菌过程由吸附和杀灭两个步骤构成 ,其中吸附过程由纤维与大肠杆菌表面静电作用所控制 ,是一个快速过程 ,而杀灭过程则伴随着细胞壁在纤维表面的溶解 ,是一个慢过程 .菌体耗氧测定法与扫描电镜观察法所获得的结果具有一致性 ,并可广泛应用于研究抗菌纤维的抗菌作用机理及过程特性 .

面向21世纪的生物能源

在概述国内外发展生物能源现状的基础上 ,提出了 3种有潜力的生物能源———燃料酒精、氢气和生物柴油的发展策略。指出适应新世纪的生物能源发展必须符合可持续发展原则 ,从而进一步提出了中国生物能源发展的建议 ,重点关注了化学工程技术在生物能源开发中的应用。

微生物分子生态学技术及其在石油污染土壤修复中的应用现状与展望

概述了微生物分子生态学技术的原理及在土壤生物修复中的应用。该技术可以提供土壤微生物群落多样性信息,跟踪降解菌株(群)的定植及发挥作用的过程,展现投加菌株与土著菌群相互作用的信息,为生物修复中降解菌的筛选、修复过程的强化及修复结果的评估提供生物学信息。展望了该技术在土壤生物修复中应用的前景。

抗菌纤维素纤维对金黄色葡萄球菌的抗菌过程

通过表面接枝的方法,在纤维素纤维表面引入具有抗菌功能的季铵盐聚合物,考察了抗菌纤维对金黄色葡萄球菌的抗菌过程特性。接枝抗菌材料可在短时间内迅速降低溶液中细菌的活菌量。采用TTC活性和菌体耗氧测定法与扫描电镜观察法研究了抗菌过程。结果表明,其抗菌过程由吸附、抑制活性和破裂杀灭3个步骤构成,被抗菌纤维吸附的金黄色葡萄球菌不具有繁殖能力。

分子动力学模拟二硫键对胰岛素构象稳定性的影响

采用分子动力学模拟考察了二硫键对天然态和还原态胰岛素构象稳定性的影响。结果表明:天然态胰岛素中的二硫键限制了其A链和B链的相对运动,有助于稳定胰岛素的主链构象以及胰岛素活性位点的构象。对于还原态胰岛素而言,失去二硫键使其A链和B链解离,B链的中心螺旋趋于失稳,而导致活性位点构象变化。上述分子模拟结果与文献报道的实验结果相符,从分子水平上揭示了二硫键对于胰岛素构象稳定性的影响机制,对胰岛素药物的制剂、储存和应用等具有指导意义。

纳米酶催化剂制备方法研究进展

酶催化具有化学、区位和立体选择性,这使得其成为绿色合成化学品的理想催化剂。然而,天然酶常因其在工业催化条件下的活性和稳定性较低而难以使用。纳米技术为构建高效酶催化剂提供了新的可能性。通过简便、高效、低成本的方法制备出具有高催化活性和高稳定性的纳米酶催化剂,同时提高纳米酶催化剂的可操作性和可回收重复使用特性是其中的关键问题。介绍了纳米酶催化剂的研究现状和制备方法,重点介绍了采用共沉淀方法制备酶-无机晶体杂化纳米催化剂、酶-金属有机骨架材料杂化纳米催化剂,以及制备具有温度和磁响应特性的纳米酶催化剂,并对纳米酶催化剂在酶催化合成医药化学品方面的应用前景进行了探讨。

采用废弃农林生物质吸附和回收重金属研究进展

废弃农林生物质对重金属离子具有吸附能力,可望用于回收工业污水中的重金属。本文对废弃农林生物质对重金属的吸附机理、吸附剂研发、吸附产物资源化利用等方面的研究进展进行了介绍,讨论了废弃农林生物质对重金属吸附技术研究中存在的问题和解决途径。揭示吸附的微观过程、阐明与吸附作用有关的生物质细胞壁结构和成分、确定重金属吸附机理以及开发新的高效的生物质吸附剂等是寻找具有高选择性和高吸附能力的高效生物质吸附剂的关键;对生物质吸附重金属后的进一步处理是工业化的必由途径。

CTAB辅助溶菌酶复性过程动力学

研究了溶菌酶在十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB)溶液中的复性过程 ,通过测定溶液表面张力与酶活力的变化证实变性溶菌酶首先与CTAB形成复合物 ,进而在氧化 还原剂作用下开始复性并与CTAB发生解离 .非还原型SDS PAGE分析结果表明 ,复性反应的主要产物有三类 :具有天然结构的溶菌酶单体、溶菌酶多聚体及溶菌酶单体与CTAB形成的无活性复合物 .不同产物的含量取决于溶液中CTAB与溶菌酶的摩尔比 .当变性溶菌酶浓度为 0 1～ 0 4mg·ml-1,CTAB与溶菌酶摩尔比为 5～ 2 0时 ,采用“变性 复性”二态复性模型分析了CTAB辅助溶菌酶复性过程的宏观动力学 .结果表明 ,随CTAB与溶菌酶摩尔比的增大 ,变性反应的速率常数显著增大 ,而折叠反应的速率常数先增大后减小 ,CTAB与溶菌酶的摩尔比为 10时 ,复性率最高 .而蛋白质浓度提高则导致折叠反应速率常数减小 ,变性反应速率常数增大 ,复性率缓慢下降 .

高分子抑制蛋白质聚集的动态Monte Carlo模拟

抑制聚集是蛋白质产品下游加工特别是制剂过程中的重要问题。本文采用动态Monte Carlo方法和二维晶格HP蛋白质模型,通过建立高分子-蛋白质复合物微观结构和蛋白质构象概率分布来研究高分子对蛋白质聚集行为的影响。结果表明,高分子的疏水性、分子量及其浓度对于蛋白质的聚集行为有显著的影响。当其疏水性适宜时,高分子可富集在蛋白表面疏水位点,强化蛋白质分子在水溶液中的分散,从而抑制聚集。高分子还可缠绕在蛋白质分子表面形成限制性空间从而稳定蛋白质的天然结构。

青霉素酰化酶纳米凝胶的制备与性质

提高青霉素酰化酶的耐热性和耐有机溶剂性对于其工业应用具有重要的意义。采用E.coliTop10F′/pGEMKT-TacPGA-Tag为表达菌株发酵生产青霉素酰化酶,经金属螯合层析得到比酶活为23200 U.L-1的青霉素酰化酶样品,将青霉素酰化酶样品与丙烯酰琥珀酰亚胺反应在酶分子表面修饰上丙烯酰基,然后加入丙烯酰胺单体,通过聚合反应得到凝胶直径在12-16 nm的青霉素酰化酶纳米凝胶,聚合反应的酶活收率为90%。与青霉素酰化酶样品相比,青霉素酰化酶纳米凝胶具有相同的荧光发射光谱,其在60℃时的酶活半衰期是自由酶的75倍;在30℃,40%（体积）的甲醇、乙醇中的酶活半衰期分别是自由酶的15倍、26倍。

反应工程基础教学的实施及“后疫情”时代教学的思考

化学工程是利用化学、物理、数学、生物和经济学等原理有效实现物质和能量的转化及利用的工程科学。化学反应机理的研究和反应器的优化设计是化学工程的核心,因此反应工程基础是化学工程专业本科生的重要核心课之一。文章回顾了反应工程学科的历史贡献和发展历程,介绍了清华大学化工系近15年来的反应工程本科教学,并结合2020年新冠肺炎疫情期间网络教学的实践,探讨了“后疫情”时代线上线下混合式教学的发展趋势。

蛋白质体外折叠技术研究现状与展望

蛋白质折叠技术是生物工程的新“单元操作”。本文阐述了蛋白质体外折叠研究的重要理论意义和应用价值 ,综述了目前蛋白质体外折叠技术研究进展 。

专业实验教学中的绿色化工教育

发展绿色化工是应对环境与资源挑战、实现可持续发展的客观要求和必然趋势,开展绿色工程教育是发展绿色化工产业的关键。清华大学化工系将绿色化工过程涉及的绿色原料、绿色反应、绿色分离、绿色产品和废物资源化利用等理念融入实验教学,结合科研成果,形成了融入绿色化工理念的多层次实验教学体系。全方位、全过程的绿色化工实验教学使学生形成了可持续发展理念,树立了绿色工程思维,增强了保护环境的社会责任感,成为绿色化工潜在的实践者及推广者。