基于GROMACS与PLUMED的无序蛋白增强采样仿真

关键词：GROMACS；PLUMED；增强采样；无序蛋白；构象系综

一、文章简要介绍

有一类蛋白质没有固定三维结构，教科书上的折叠图案对它们不适用——内在无序蛋白（IDP）靠动态构象系综行使功能，常规分子动力学在这种体量的构象空间里很难采够样本。这篇哥本哈根大学团队2026年发表在Nature Communications的工作，用GROMACS搭配PLUMED的OPES增强采样，单条模拟副本就覆盖了多温度系综，还在转录共激活因子ACTR里抓到了以往看不见的瞬时三级结构（DOI：10.1038/s41467-026-73067-3）。

图1 OPES多温度系综采样原理与四个无序蛋白体系

OPES单副本覆盖多温度系综，四个无序蛋白采到从紧致螺旋到伸展的构象谱。

二、GROMACS与PLUMED增强采样建模

计算框架是GROMACS 2023.4加PLUMED 2.10，GPU加速运行。增强采样用OPES（在线概率增强采样）：把体系势能当作集合变量，偏置势随模拟在线更新，单条轨迹就能在274到450开尔文的多温度系综里游走，不需要温度副本交换，也省去了模拟回火里估权值的麻烦。体系选了四个：15残基的(AAQAA)3螺旋肽、42残基的ACTR片段、71残基的ACTR和有聚集倾向的HTTex1外显子1，力场用a99SB-disp与a03w，水模型TIP4P/2005，盐浓度150 mM NaCl。

图2 (AAQAA)3肽15微秒采样OPES与REST2对比

(AAQAA)3肽15微秒采样，OPES与REST2的Rg分布高度重合。

工作流分两步：先跑10条短试验模拟让偏置势收敛，小体系约100纳秒、最大的ACTR约600纳秒收敛完成；再把收敛的偏置势当静态偏置，挂到多条独立生产模拟上提吞吐。副本之间不交换，各自在温度空间里按势能涨落扩散，各温度的有效样本量近似均匀。

图3 试验模拟偏置势收敛与统计误差评估

10条试验模拟确认偏置势收敛，小体系约100纳秒、ACTR约600纳秒。

采样效率用(AAQAA)3做了定量对比：同为15微秒总量，OPES的螺旋弛豫时间4.9纳秒比REST2的12.3纳秒短，统计误差收敛快2到3倍；Rg分布与逐残基螺旋倾向两条方法高度重合，说明提速没有牺牲精度。HTTex1上OPES同样追平REST2，部分观测量的收敛快到8.8倍。

图4 HTTex1外显子1的OPES与REST2对比

HTTex1外显子1上OPES与REST2一致，部分观测量收敛快至8.8倍。

三、关键结果与发现

主角是ACTR——与CBP的NCBD结构域结合时，双方各自折叠成三条螺旋。OPES模拟里，游离态ACTR的三条螺旋会协同折叠并形成三级接触，这类稀有序态在轨迹中可逆地出现又消失。

图5 ACTR的OPES与REST2系综对比

ACTR三条螺旋协同折叠形成三级接触，稀有序态可逆出现。

构象靠不靠得住，要拿实验数据说话。团队用贝叶斯/最大熵重加权把化学位移、RDC、PRE和SAXS一起压进系综：化学位移RMSE从1.06降到0.68 ppm，SAXS曲线与PRE标记位点的强度分布都对上，回转半径从1.90纳米修正到2.19纳米。螺旋束状态只占约1%概率，疏水核心由异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸撑起，结构上说得通。

图6 ACTR瞬时三级结构与实验数据重加权验证

贝叶斯重加权后化学位移、RDC、PRE与SAXS全面吻合实验。

自由能面上看得更直观：以天然接触分数Q和Rg为坐标，OPES与无偏模拟、REST2的盆地位置一致，还额外探到高Q的小盆地；沿主要坐标的过渡势垒约13 kJ/mol，折叠-展开在模拟时间尺度上可逆往返。

图7 ACTR的Q-Rg自由能面与方法对比

Q-Rg自由能面：OPES与无偏、REST2盆地一致，势垒约13 kJ/mol。

聚类分析把系综压成可数的构象族：3埃截断下聚出7282个簇，前24个簇就覆盖一半概率，主簇构象与结合态的螺旋1高度相似——这是构象选择机制的采样证据，也给靶向无序蛋白的药物设计留了抓手。

图8 ACTR构象聚类与主簇结构

3埃截断聚出7282个构象簇，前24个簇覆盖一半概率。

四、我们提供的服务

我们承接分子模拟外包：①GROMACS加PLUMED增强采样（OPES、metadynamics、伞形采样）；②蛋白质构象系综与结合自由能计算；③NMR/SAXS数据驱动的系综重加权；④粗粒化与全原子建模；⑤轨迹分析与论文级报告交付。

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