基于粗粒化模型的半经验蛋白质SERS光谱解析算法
批准号:
22104125
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
马昊
依托单位:
学科分类:
谱学理论与方法
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
马昊
中文摘要
基于表面增强拉曼光谱(SERS)直接解析生理环境下蛋白质的结构,对蛋白质功能研究、生物医药等领域的发展有显著的推动作用。然而传统理论计算方法由于难以描述梯度分布局域电场与蛋白质分子复杂的相互作用,尚无法解析蛋白SERS光谱。本项目提出一种半经验蛋白质SERS光谱解析算法,创新性地将蛋白质结构简化为氨基酸的空间排列组合,将氨基酸本身在局域电场中的张量特性作为标准经验值,从而将原本复杂的积分迭代运算转化为简单的矩阵运算,可以克服上述难题,节约计算时间;在前期工作上继续发展蛋白质可控吸附实验方法以获得可靠的蛋白质SERS光谱,与算法相互验证;进而结合分子动力学模拟和概率分析实现蛋白质SERS光谱解析。基于此算法,SERS技术将突破原本局限于小分子体系界面研究的限制,应用于研究界面蛋白质体系动力学过程。也可根据SERS光谱推测蛋白在基底上可能的吸附结构,为结构生物学提供新的研究手段。
英文摘要
Direct analysis of protein structure in the physiological environment by surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) would significantly facilitate protein function research, development of biomedicine, and other fields. However, the traditional theoretical method fails to describe the complex interaction between gradient local electric fields and proteins. So far, interpretation of the SERS spectra of protein has not been resolved. This project proposes a new algorithm for interpreting SERS spectra, which introduces spatial arrangement and combination of amino acids to simplify the conformation of proteins at interfaces. The tensor nature of amino acids in the local electric field under standard orientation is considered the standard empirical value. The integral and iterative operation for calculating SERS spectra can thus be simplified as simple matrix calculations, which overcomes the problem mentioned above and saves a lot of computing time. Based on previous work, this project continues developing methods for controlled immobilization of protein to obtain reliable SERS spectra, which can be mutually verified with the algorithm. Finally, the interpretation can be revealed with combination of molecular dynamics and probability analysis. Based on the proposed algorithm, SERS would not be limited to the small molecular interfacial system and competent for exploring interfacial protein dynamics. Moreover, the possible adsorption structure of a protein can be predicted based on its SERS spectra, which provides a new approach for structural biology.
基于表面增强拉曼光谱(SERS)直接解析生理环境下蛋白质的结构,对蛋白质功能研究、生物医药等领域的发展有显著的推动作用。然而传统理论计算方法由于难以描述梯度分布局域电场与蛋白质分子复杂的相互作用,尚无法解析蛋白SERS光谱。因此,本项目旨在发展白质SERS光谱结构解析算法,开展蛋白质界面可控吸附实验用于解析算法的普适性研究,探究SERS光谱解析算法在界面蛋白质体系的动力学过程,深入了解生理环境下蛋白质的结构变化,以揭示重要的生命科学过程。.项目执行期间,申请人团队从检测方法学入手,发展了动态检测方法并创造性地提出利用液态蛋白质的本征拉曼光谱与获得的SERS光谱做对照,通过相关系数描述其SERS光谱的天然程度,并将其用于研究较低浓度促团剂对于蛋白质光谱的影响;在天然蛋白质动态表征工作的基础上,进一步通过间隙增强检测模式(gap-mode模式)获得高重现的蛋白质SERS光谱。同时,创新性地将增强电磁场的衰减特性对SERS的贡献转换成其对蛋白质的空间断层扫描,将蛋白质在界面上的构象简化为氨基酸的空间排列和组合。因此,原本计算蛋白质与表面等离激元电磁场相互作用所需复杂的积分迭代可以简化为极化率张量导数、旋转矩阵和梯度局部电场的简单矩阵计算,首次建立了蛋白质SERS光谱的解析策略。此外,算法成功扩展至小分子体系,成功模拟了多环芳烃分子在痕量水平下的界面团聚行为所引发的光谱变化。.在国家自然科学基金的支持下,申请人团队完成了任务书规定的全部研究内容。项目执行期间发表学术论文6篇,参加会议2次。
基于宽谱段PERS技术的酶内静电环境的原位动态表征
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批准号:22474117
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项目类别:面上项目
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资助金额:50.00万元
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批准年份:2024
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负责人:马昊
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依托单位:
国内基金
海外基金