本网讯（通讯员 黄晶晶）近日，美国化学会期刊Journal of Chemical Theory and Computation（JCTC，中科院化学1区top，5年IF：6.6） 在线刊发鲍磊博士团队最新研究成果“Multi-Force-Field Molecular Dynamics Reveals How Cation Hydration Kinetics Dictate Polypeptide Assembly Pathways and Timescales”。JCTC创刊于2005年，是美国化学会旗下专注于理论与计算化学研究的国际顶级期刊。过去20余年间，JCTC见证了量子电子结构、分子动力学和统计力学等领域理论与方法的飞速发展，发表了众多在化学理论、材料科学和化学生物学领域具有重要影响力的前沿成果。
生物分子组装是生命活动的基础，而二价阳离子在其中扮演着关键角色。Mg2+和Ca2+作为生命体系中最重要的两种二价阳离子，在调控多肽构象、稳定电荷相互作用及介导生物分子聚集等过程中发挥着不可替代的作用。然而，同是二价阳离子，Mg2+和Ca2+为何在生理过程中表现出截然不同的时空调控特征，例如Ca2+离子作为快速信号触发器介导神经递质释放，而Mg2+离子则更多地参与核糖体组装等缓慢的结构组织事件，其背后的定量因果关系长期缺乏原子层面的机理解释。
针对这一关键科学问题，该团队采用多力场全原子分子动力学模拟，结合增强采样技术和马尔可夫状态模型分析，系统比较了编码不同水交换速率的力场组合，揭示了阳离子水合动力学与多肽组装路径之间的定量联系。研究发现，Mg2+离子因其水合壳层交换速率慢（微秒量级），必须通过逐步脱水机制与Asp残基配位，这一动力学障碍限制了其在微秒时间尺度上驱动微相分离的能力，使其扮演“慢速结构重组者”的角色，逐步破坏原有的Arg−Asp盐桥网络。相比之下，Ca2+离子水合壳层交换迅速（皮秒至纳秒量级），可直接桥联多个Asp侧链，作为“快速微相分离触发器”发挥作用。
图1阳离子水合动力学调控多肽组装路径的“水合时钟”模型示意图
研究进一步通过对比不同Cl−离子力场，发现增强Cl−离子与Arg侧链的结合可竞争性破坏Arg−Asp盐桥，释放更多自由的Asp残基，从而显著提高Mg2+离子介导桥联事件的频率，甚至观察到稳定的三齿配位构型。该策略在不改变Mg2+离子固有脱水动力学的前提下，为计算研究中加速采样动力学受阻态提供了有效途径。基于以上发现，团队提出了“水合时钟”模型，认为阳离子固有的水交换动力学决定了生物分子组装的基本时间尺度，为理解生物体系中阳离子特异性效应及设计时间可编程的自组装系统提供了新的动力学框架。
该成果由太阳集团tyc86鲍磊博士、朱本超教授，基础医学院刘莹教授，宁夏医科大学封晨洁副教授以及西安文理学院王珍博士共同合作完成。鲍磊博士团队长期致力于运用计算化学方法研究复杂生命体系的结构与动力学特性。鲍磊博士于2025年获批国家自然科学基金面上项目资助，团队以此为契机，逐步形成了以计算模拟为核心特色的科研方向。近年来，得益于学校和学院给予的政策与硬件支持，团队持续产出高质量研究成果，在基础学科领域的影响力稳步提升。该研究成果的发表，进一步彰显了团队在计算生物物理领域的学术影响力。这一突破性进展也是学校持续推进高水平应用型大学建设、不断夯实基础学科科研实力的重要体现。团队将继续依托学校政策支持与平台优势，为学校高质量发展和博士学位授予单位建设贡献更多力量。（审稿 邬闻文）
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.jctc.6c00849
