三月了，大佬们在研究什么新的MD模拟？

绮罗林

来源公众号：分子动力学

文献解读
— 搞学术不秃头 —

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写在前面 派言派语
纤维素是自然界中最丰富和可再生的生物聚合物之一，通常存在于植物的细胞壁中。天然纤维素是高度有序的。加工天然纤维素需要对其进行溶解和再生。
众所周知，再生纤维素的结晶度与天然纤维素不匹配，并且再生纤维素的物理和机械性能会因所采用的技术而异。
这就留下了"纤维素再生为什么会有差异，再生用于特定用途时需要考虑哪些因素? "的问题。


         

      为解答上述疑惑，2023年3月5日，瑞典林雪平大学材料中心Igor Zozoulenko团队在《Carbohydrate Polymers》上发表论文成果。

他们旨在理解纤维素再生的基本原理，利用全原子分子动力学(MD)模拟从原子水平上观察这一过程。
研究者先从简单模型出发，追踪两条链和多条堆叠链系统的演化，然后通过增加纤维素浓度，得到更符合实际的模型。


结果揭示了再生和链自组装过程中纤维素II微晶形成的开始。虽然他们试图将全原子MD模拟推向极限，但其研究结果表明需要粗粒化的MD模拟来描述纤维素再生。

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模拟步骤 结果讨论
研究假设纤维素在氢氧化钠水溶液中溶解，通过中和与稀释再生，因此只包括水。使用Cellulose Builder生成结晶纤维素模型。
从较大的纤维中提取单个纤维素链模型，并使用OPLS-AA力场进行优化。链长选择为6个重复的纤维素单元和两个来自两侧的末端单元，伯羟基均为tg构象。



图1：纤维素分子的结构表示

采用GROMACS进行分子动力学模拟。设置了三个体系进行MD模拟：第一个涉及两条链，第二个增加体系中纤维素的浓度，最后一个是复制第二个模型，用"无限链"代替。
将每个模拟的纤维素链插入指定位置，使第二和第三个模型中的所有链沿同一方向排列，用等温等压系综(NPT)进行能量最小化和系统优化200ns，得到12×12×12 nm3细胞。
所有数据均来自NVT模拟；对两条链的研究运行了不同长度的时间，而含有较大纤维素浓度的系统都运行了100ns。
所有模拟的温度均设置为300K，除非有规定的温度；压力和温度耦合分别采用Berendsen恒压器和Nose-HOOVer热浴，范德华截止波长为1.2nm。
溶液中纤维素链之间的相互作用对于理解纤维素的再生过程具有重要意义。对单个纤维素链进行MD模拟，以确定它们的有利取向和这些链相互作用的时间尺度。
进行了第一次模拟来计算这个时间。图2展示了具有代表性的运行结果，其中以一对相互平行且相距3nm的链开始。



图2：从起始位置3nm处测得两条链的距离

为了开始评估再生过程，设置了经过周期性连接"无限链"修改的堆叠纤维素链系统，并模拟运行了50ns。
所建立的两个体系分别为：一个以外层羟基为面，另一个以链的平面为面，如图3所示。结果表明其构型十分相似，显示了纤维素在疏水表面上的聚集和相互作用。



图3：具有疏水边的堆叠无限链的输入输出构型

研究者可以解释单个链和堆叠链的相互作用，以表明在试图理解纤维素再生时需要考虑额外的因素。单根纤维素链有利于沿着其疏水表面排列，从而导致1-10表面形成的开始。
然而，额外的自由流动链和预堆叠链似乎并不容易相互作用，这证明了110表面在模拟中不容易再生。因此，当这种相互作用发生时，必须着眼于更大的系统来建立。
这是后续增加纤维素浓度的地方。图4给出了有限链系统图。在每种情况下，可以看到纤维素链排列的区域，但整体外观似乎代表了一个无定形的簇。



图4：随着浓度的增加，纤维素链模拟的输入和输出构型

当纤维素浓度从25个链增加到64个链时，这种对齐现象更加明显，但总的解释是，链可以并且将沿着另一条链在若干点上相互作用，并与多条链相互作用。

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研究总结 未来展望
在对纤维素的再生过程进行建模后，时间似乎是其初始化的限制因素。研究表明，两个单独的纤维素链将相互靠近，随后在它们的疏水表面堆叠和排列。
这种最终取向对于同时具有疏水侧和亲水侧的"无限链"堆叠链模型系统的初始构型也是优先的。所得结果对再生过程如何展开有一定的指示意义。
再生开始于纤维素链在其疏水侧的堆积，随后在其亲水侧以氢键进行堆积。然而，他们还没有建立完全再生所需的时间尺度，也没有了解在整个结构中再现秩序所需的因素。
"开放"纤维素链的不完全重叠可以解释为有序纤维素内无定形区域的再生，导致研究者相信一旦链相互作用，可能会出现有序，这意味着无序系统将首先建立。
现有的实验数据表明纤维素的再生是一个缓慢的过程。虽然研究者试图将全原子MD模拟在系统尺寸和模拟时间方面推进到极限，但为了捕获再生结晶纤维素的顺序，应该对更大系统的演化进行更长时间的跟踪。
为此，需要发展和应用粗粒化(CG) MD模拟。在CG MD模拟中，这使得系统尺寸和时间间隔远远超过全原子MD模拟。
通过粗粒化的MARTINI3 MD模拟对纤维素自组装和随后的再生过程的研究是后续研究的主题。