生命在於運動，這句話在分子尺度上特別形象。生命體的功能往往是通過各式各樣的蛋白質特定三維運動來實現的。尤其是蛋白質內部大幅度的原子集群運動，它們對能量傳遞、底物輸運、生物大分子的組裝等生物功能起著至關重要的作用。此外，作為生命溶劑，水分子的各種運動(擴散，轉動及振動）協助了質子和反應底物的傳輸，促進了生物大分子和底物小分子的對接，誘導了生物大分子摺疊等。因此，研究蛋白質及其表面水分子運動對理解蛋白質功能的微觀機理具有重要意義。
近期，上海交通大學洪亮特別研究員受邀在《Chinese Journal of Polymer Science》發表的專論中系統的介紹了近年來課題組利用中子散射、分子動力學模擬和氘化技術對蛋白質及其表面水分子動力學的研究進展。文中第一部分集中介紹了中子散射研究生物體系的諸多優勢，比如直接測量原子位置漲落、無損傷原位探測、在廣闊的時空間範圍(飛秒到微妙，亞埃米到數納米)提供分子動力學信息等。最重要的是研究者可以通過選擇性氘代標定體系內特定部分,比如某個特定結構或功能區域，特定組分，特定元素進行原位動力學研究。另外，分子動力學模擬在時間和空間尺度上都可以和中子散射實驗進行定量配合，給出微觀細節。這一部分詳細介紹了洪亮課題組近年來在結合中子散射實驗、氘化技術以及分子動力學模擬建立的研究分子運動的方法學，著重討論了如何原位定量表徵蛋白和水分子各自的動力學，以及蛋白質內部不同元素、不同殘基的各種運動模式。在第二部分介紹了運用該方法學對蛋白質低溫動力學轉變現象的研究。雖然蛋白質種類繁多，結構功能各異，但它們都會在零下70 °C左右發生動力學轉變：低於此溫度蛋白質喪失非簡諧運動自由度以及生物功能，當提高溫度跨越此轉變點，蛋白質就會柔化並恢復生物活性。過去20年業界普遍認為該轉變現象是由於蛋白界面水分子在零下70 °C發生變化引起的。洪亮課題組通過結合氘代技術和中子散射實驗揭示出該動力學轉變是蛋白質固有性質，不取決於其溶劑，這極大地挑戰了業內的固有理解。第三部分對該方法學在將來生物體系和高分子體系動力學研究作出了展望。我國剛剛建成的三個中子散射大裝置(東莞散裂源、房山中子源和綿陽反應堆)，其優質中子源必將推動我國材料科學的發展，尤其是生物及高分子材料科學的研究。
洪亮課題組的工作受到國家自然基金(Nos. 11504231, 31630002, 11974239)，中組部青年千人計劃和上海市教委科研創新重大項目的支持。
該專論即將發表於Chinese Journal of Polymer Science。
Combining Neutron Scattering, Deuteration Technique, and Molecular Dynamics Simulations to Study Dynamics of Protein and Its Surface Water Molecules
Li-Rong Zheng and Liang Hong
Doi: 10.1007/s10118-019-2312-2
高分子科學
Chinese Journal of Polymer Science
http://www.cjps.org