使用复杂脂质混合物在模拟研究中实现逼真的膜建模

生物物理学领域正在迅速发展。常见的实验方法包括荧光显微镜、中子和X射线散射、质谱分析以及原子力显微镜。计算方法则包括语音学模型以及基于统计热力学的模型，这些模型有助于我们理解发生在膜界面及疏水核心内部的原子或分子水平相互作用的细节。

在使用分子动力学模拟时，面临的挑战包括对感兴趣事件的采样、设定模拟时长、确保结果收敛并重现物理值，以及获取足够的计算资源。这些挑战在膜界面的瞬态事件中尤为突出，例如外周蛋白与膜的相互作用，或脂质与蛋白质的聚集过程，这些过程往往涉及显著的构象变化。本方案提供了一份适合初学者的分步指南，用于启动复杂脂质膜的分子动力学模拟。

有许多软件可用于进行此类模拟，部分软件包还提供了教程或使用手册。我们希望本方案能为构建真实细胞膜模型提供简明的基础，并就影响此类建模研究结果质量的关键因素提供实用建议。本方案使我们能够捕捉到在纯脂质或二元脂质混合物中未观察到的膜脂与其他生物分子之间的相互作用。

膜表面的许多相互作用依赖于膜上脂质的多样性。我们的模型表明，引入适当的脂质种类对于准确探究生物分子在膜内的功能至关重要。首先，使用网页浏览器访问 CHARMM-GUI。

org 网站。在创建您的第一组文件之前，请先创建并激活您的免费账户。转到顶部菜单，导航至输入生成器，然后从屏幕左侧的可用选项中选择膜构建器（Membrane Builder）。

选择双层构建器（Bilayer Builder）以构建脂质双层，然后选择仅有膜系统（Membrane Only System），并保存生成的作业 ID 以便后续访问。在构建过程的每一步中，通过点击页面顶部的“查看结构”（View Structure）来可视化系统。持续检查是否存在缺失组分或片段尺寸错误。

无论是否构建单组分双分子层，均选择“异质脂质”选项，然后选择矩形盒类型。水合过程选择每个脂质分子对应45个水分子，这足以形成完全水合的脂质双分子层。现在根据脂质组分的数量设置XY方向的长度。

根据预先设计的模型确定每种脂质所需的数量。在PI模型中，为模拟真核细胞的内质网，使用了336个DOPC、132个DPPE、60个胆固醇和72个POPI脂质；而在PIPS模型中，则使用了330个DOPC、126个DPPE、54个胆固醇、66个POPI和24个DOPS脂质。在脂质名称旁边的两个输入框中分别输入上层和下层脂质双分子层所需的分子数量，以构建对称的膜组成。

然后导航至脂质种类列表的顶部，点击“显示系统信息”按钮以启动操作。利用CHARMM-GUI，验证对称双层膜中每个单层脂质的总数。继续点击后续界面，根据所选的分子动力学引擎，设置模拟所需的温度和压力值，以及模拟文件的语法格式。

例如 GROMACS。下载生成的文件并将其传输至计算机集群。使用选定的软件，例如 Visual Molecular Dynamics 或 PyMOL，以可视化最终系统。

在构建分子动力学模拟的系统坐标后，创建一个提交脚本以对所构建的坐标系统进行能量最小化和弛豫。将CHARMM-GUI输出结果中README文件里“Production”注释之前列出的所有命令复制到提交脚本中。提交弛豫脚本，并确保其各个步骤的输出文件均已生成，然后方可进入生产运行阶段。

完成之后，验证在 GROMACS 六步弛豫运行过程中生成的具有不同扩展名的输出文件是否存在。为进行性能测试，生成 1-2 纳秒的短轨迹，并通过使用不同数量的计算节点来估算计算成本。比较不同计算节点数量下的每日纳秒数性能，以确定运行所需的最优资源。

选择节点数量，使性能水平达到最大值的75-80%。通过将GROMACS中的压缩原始轨迹文件（标记为TRR文件）转换为XTC文件格式，或跳过部分帧以减小文件大小，从而便于高效传输至本地工作站进行可视化和分析。在运行任何分析之前，先可视化完整轨迹，以识别感兴趣的分子或原子，并确定用于表征的轨迹片段。

然后确定仅含膜的模拟中每个脂质所占面积的时间序列，并识别轨迹中达到平衡的部分。对膜结构的分析显示，两种内质网模型在膜厚度上存在显著差异，表明每个脂质所占面积与膜厚度之间呈负相关关系。各脂质种类的氘核序参数表明，除DPPE外，不同模型间脂质尾链的有序性几乎没有差异；对于DPPE，PI模型中其SN1尾链的有序性略有增加。

脂质组成和膜模型调控着与其他分子的相互作用。例如，使用不同比例的磷脂酰胆碱（PC）和磷脂酰丝氨酸（PS）脂质进行的模拟表明，静电相互作用驱动去定位脂溶性阳离子D112与阴离子脂质的初始结合，而疏水相互作用则促使该分子进入膜内部核心。