[发明专利]一种用于模拟分子化学趋向运动的程序算法

说明书

本发明公开了一种用于模拟分子化学趋向运动的程序算法，通过建立有关受体与配体交叉扩散的有限元模型，从统计热力学基本框架出发，严谨推导出统摄分子趋化行为的解析方程；开发可推演该特殊运动进程的核心算法，以流场配置和流体性质为输入参数，对分子趋化系统给予数值模拟，用于预测并检验实验结果。本发明遵循“第一性原理”，从基本的统计热力学定理出发，完备地推导出描述分子趋化的支配方程，毋须试探性数学表达和经验性参数定义，建立起一般性模型；将运动方程转化为程序的核心算法，以实际体系的性质为基础，高效模拟出具体分子结合体系的运动趋势及有关效应，并输出定量预测结果，用于数据挖掘比对。

技术领域

本发明属于复杂化学流体的有限元分析领域，尤其涉及一种用于模拟分子化学趋向运动的程序算法。

背景技术

微流控芯片中酶分子流向其底物的自发迁徙已经得以广泛报道，但该催化化学趋向运动的机制迄今悬而未决，导致该领域目前存在诸多争议性的观点，有的研究结论甚至相互对立。例如，2015年Nature报道了利用单分子荧光相关光谱，发现尿酶、漆酶、碱性磷酸酶在其本征的放热型催化过程中，自身扩散系数渐增，并与底物浓度、时间呈线性相关，拟合斜率与各酶对底物的转化频率(k_cat)有关，颇具指征性。但是，美国科学院院士SteveGranick在运用超分辨显微成像分别跟踪单个尿酶和漆酶时，观察到的却是离散酶个体在逐渐远离其对应底物，呈现反(逆)趋化现象，由此提出了酶的迁移率应受k_cat和米氏常数(K_M)共同制约。其后，哥伦比亚大学Henry Hess课题组通过动态光散射实验，补充道“酶在催化转化阶段的变构与亚基解离，也会不同程度地干预大分子的实时扩散；部分酶的扩散系数并不随底物浓度、催化时间而变化”。另一方面，虽然催化反应的焓变一般较为显著，但德国Max Planck研究所的Golestanian教授精确测量却发现，实际反应微区的温度仅提升了不足1/1000K；他还发现糖酵解代谢中的二磷酸果糖酶催化果糖-1,6-二磷酸这一吸热反应，亦具有放热型酶催化的全部趋化行为特征。-这两方面共同说明热效应不是主导分子趋化的主要因素。上述研究结论总体使酶趋化的成因分析愈发复杂。

为了阐明分子趋化的动力学成因，研发人员按照Michaelis-Menten模型和其准稳态近似，对酶催化历程中的两个基本阶段：(1)可逆的底物结合与(2)不可逆的产物转化，做了隔离、孤立考察，发现了离子和小分子通过非键且非特异性作用向较大物体接近的现象。比如，伊利诺伊大学香槟分校的Paul Braun团队通过在平面静电场内以牺牲离子的运动自由度为代价，观察到带负电荷的荧光素自发向局域化季铵盐构成的人造“焓黑洞”汇聚，并将该现象开发用于加速靶DNA的表面捕获。该模型最早可追溯至2005年布朗大学LambertFreund发现的病毒侵入、质粒转染等过程中细胞膜表面受体向胞吞位点的主动聚集现象。已应用于膜分离，如巧用疏水半透膜附近的低渗透压，吸引染料向其表面不可逆地牢固粘附。反之，当包围蛋白或外泌体囊泡表面Debye层内一、二价离子梯度足够大时，这些聚合物或微纳颗粒的机动性也会成百上千倍地提高，产生与胶体尺寸、离子种类相关的扩散泳输运，已应用于蛋白质液/液相分离、脂域区划、光免疫治疗(photoimmunotherapy)，乃至原油开采等。

以上系统全部是由界面静电场为主的广义化学结合力所统摄，都侧重于阐述限域环境中各性质对研究主体速率的综合促进作用。其数学表达各异，例如牛津大学的J.Agudo-Canalejo博士通过线性组合的形式，在流动性本构方程中添加泛定“泳”项；而华盛顿大学的J.Schurr等修正了费克扩散定律，从Kirkwood-Buff积分出发，在多物理场耦合分析软件COMSOL中自定义了一个“增强扩散”(见公式1)项：