一种泊松-玻尔兹曼方程稳定算法的高效有限元并行实现

泊松-玻尔兹曼方程（Poisson-Boltzmann Equation,PBE）是广泛应用于溶剂化生物分子静电分析的隐式溶剂化模型.本文在原有有限元软件基础上对近来提出的基于高阶有限元求解PBE的无条件稳定方法设计并实现了一种高效的并行计算方法.无条件稳定方法对PBE拟时间迭代求解,避开了强非线性导致的不稳定性.基于非结构化四面体网格本文设计实现了基于代数分解的求解稀疏线性方程组的高效并行模型.规模可扩展至6400 CPU核,并行效率达到近86%.大规模并行迭代求解线性方程组是计算科学领域的共性问题,它的高效并行实现不仅对实际生物分子静电分析提供了很好的基础,也可扩展至其他各应用领域.

蛋白质pK_(a)预测模型研究进展

pH表征溶液的酸碱性,是许多与人类重大疾病密切相关的生命活动的调控因子.pK_(a)决定可滴定基团在一定pH条件下的去质子化平衡,是研究pH调控的生物化学过程的重要参量.然而,由于蛋白质结构的复杂性以及实验条件的限制,蛋白质pK_(a)通常需要借助理论预测.近30年,研究者们开发了各种基于先验知识的pK_(a)预测模型.随着近几年人工智能技术的快速发展,人们开始尝试将人工智能算法应用于蛋白质pK_(a)预测工具的开发.本文介绍pK_(a)理论预测近年来的一些重要研究进展,主要包括恒定pH分子动力学以及基于泊松-玻尔兹曼方程、经验函数和机器学习的pK_(a)预测模型.在此基础上,讨论蛋白质pK_(a)预测模型的未来发展方向和应用前景.

一组和AMBER力场配合的普适波恩模型参数

提出了一套和AMBER力场相匹配的普适波恩模型参数.新的参数集包含21种原子类型的初始半径和屏蔽因子.参数通过遗传算法拟合359个小分子水合自由能的实验值得到.采用新的参数,预测了44个小分子的水合自由能,预测值和实验值能很好地吻合,而且大大优于采用Jayaram参数得到的结果.此外,采用新的参数,还预测了15个蛋白质的水合自由能,预测值和PB/SA预测得到的结果能很好地吻合.

磷脂双层膜稳定性的理论分析

目的:越来越多磷脂双层膜的原子力显微镜扫描力谱显示溶液离子浓度对磷脂双层膜稳定性有很大影响,本文从理论角度研究溶液离子浓度对磷脂双层膜稳定性的影响,同时解释两个基于不同模型模拟结果差别的原因。方法:主要根据磷脂分子极性端带电特性,将极性端看作偶极子,然后基于偶极-偶极相互作用理论以及泊松-玻尔兹曼理论解决以上问题。结论:随着离子浓度的增加,磷脂双层膜趋于更加稳定;基于两个不同模型模拟结果差别的原因是高浓度溶液的强静电屏蔽作用。

原子力显微镜(AFM)与生物膜相互作用的实验及理论分析

本文依据电双层结构和泊松-玻尔兹曼理论,对H.J.Bütt实验组做的原子力显微镜与生物膜相互作用实验现象进行了具体的理论分析,理论计算结果与实验结果符合得很好。

相互作用熵方法在计算生物分子体系结合自由能中的发展和应用

分子力学泊松-玻尔兹曼溶剂可及表面积(MM/PBSA)是一种非常主流的计算生物大分子体系结合自由能的方法,但是其中熵变的计算一直以来都是理论计算上的难点.2016年发展的相互作用熵方法因其理论严谨、计算成本低等优势得到了广泛的应用.该方法已在周期蛋白依赖性激酶2、胰蛋白酶、HIV蛋白酶、间变性淋巴瘤激酶与配体以及P53与MDMX/MDM2等一些关键的体系上得到了应用,这为研究者理解生物大分子中相互作用的机理提供了可信且新颖的途径.本文介绍了相互作用熵方法的发展,并为其在生物大分子中的应用提供了可行的指引和建议.

生物分子模拟中的静电计算

在分子尺度上对生物系统的研究主要通过模拟生物分子间的相互作用来完成.在众多的分子间相互作用中,静电相互作用及其重要,对它的定量计算是了解生物分子的溶剂化效应、生物分子折叠和酶催化作用等的一个中心课题.本综述着重介绍用于计算溶剂化效应的泊松-玻尔兹曼模型,包括模型的理论基础、发展历程、数值求解方法、及在分子生物学研究中的应用等.同时,也介绍泊松-玻尔兹曼模型的一种近似模型,广义玻恩模型.

纳米管道中离子分布模型的研究

基于纳米管道内离子浓度与电势变化的规律,针对泊松-玻尔兹曼模型的几种改进方法进行比较说明,并提出使用的限制条件。通过对理论的研究分析,泊松-玻尔兹曼的分析解很难获得,而仿真的数值解却容易求得,这个结论更有利于进一步的理论研究。

HBc-VLP的分子动力学模拟和结合自由能计算

乙型肝炎核心病毒样颗粒HBc-VLPs(Hepatitis B Core Antigen Virus-like Particles)因稳定性好且易于改造,被作为疫苗载体广泛使用,但影响VLPs稳定性的控制机制尚不清楚。采用分子动力学模拟研究了HBc-VLP中蛋白亚基二聚体、五聚体及六聚体复合物的稳定性,计算了体系中蛋白亚基的介电常数,避免了以往研究中直接使用经验参数的做法;通过分子力学-泊松玻尔兹曼溶剂可及表面积(MM-PBSA)方法计算亚基分子间的结合自由能,表明范德华作用能和非极性溶剂化作用能有利于促进相邻蛋白亚基间的亲和作用;根据计算结果可推测HBc-VLPs中六聚体比五聚体的稳定性更强,而两个六聚体之间或五聚体同六聚体之间形成的二聚体有助于进一步形成结构更加稳定的HBc-VLPs。该结论有助于生物工程中对HBc-VLPs的蛋白质改造,从而提高HBc-VLPs为载体的候选疫苗的稳定性。

固液界面双电荷层结构的一个界面势模型

当液体受限在纳米尺度下时,会呈现出跟宏观尺度下完全不同的输运性质。这些新的性质可以被应用于很多领域,譬如对生物体中体液输运的研究,液体抽运,药物的混合和分离,以及离子和胶体颗粒的选择等领域。为了充分利用这些新性质,需要对纳米液体中最基本的双电荷层结构有深刻认识。文章回顾了传统的泊松—玻尔兹曼方程对双电荷层结构中液体离子分布的计算,指出了其中的不足,并提出一种基于液体电荷保持中性的固液表面势模型。

天然胰岛素及其突变二聚体对盐浓度和pH值的依赖性

基于形式电荷（formal charge）参数设置,用有限差分泊松-玻尔兹曼方法（FDPB）来预测蛋白质结构的稳定性.以人的2Zn天然胰岛素及其速效突变体B9D（B9Ser→Asp）,B9E（B9Ser→Glu）,B9EB10D（B9Ser→Glu,B10His→Asp）和B10D（B10His→Asp）为研究对象,研究了溶液中不同pH值及盐离子浓度对天然胰岛素和突变体稳定性的影响,阐明了这些突变体具有速效特性的结构和理论基础.计算结果与实验相吻合.