《Biophysical Journal》：Accuracy of distance distributions and dynamics from single-molecule FRET
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在单分子荧光共振能量转移（FRET）实验分析中，常用近似假设难以评估其有效性。研究人员通过对无序肽进行全原子显式溶剂分子动力学模拟，结合实验验证，研究相关时间尺度及近似假设的影响。结果表明常见近似在一定条件下合理，该研究为 FRET 实验分析提供了重要参考。
单分子荧光共振能量转移（F?rster resonance energy transfer，FRET）技术，就像是一把神奇的 “分子尺子”，能精准测量生物分子内的距离及动态变化。在生物分子的微观世界里，了解它们的动态变化和内部距离分布，对于揭示其构象特性和功能作用至关重要。比如那些在细胞里 “自由散漫” 的无序蛋白质和单链核酸，它们没有固定的折叠结构，但却在许多生命过程中扮演着关键角色。单分子 FRET 技术通过在目标分子上连接两个荧光团，利用能量转移现象来获取分子内的距离信息，为研究这类构象复杂的生物分子提供了有力手段。
然而，这把 “尺子” 在使用过程中却存在一些问题。以往在分析单分子 FRET 实验数据时，通常会采用一些简化假设，像假设染料间距离动态变化、荧光寿命和染料重取向的时间尺度相互分离，还有用平均取向因子κ 2 2/3
来自瑞士苏黎世大学（University of Zurich）生物化学系、美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所化学物理实验室等机构的研究人员，针对这些问题展开了深入研究。他们利用经过实验验证的长时间尺度、全原子显式溶剂分子动力学模拟，对带有明确荧光团的无序肽进行研究，以此来检验这些假设的合理性，并定量评估由此产生的误差。相关研究成果发表在《Biophysical Journal》上，为单分子 FRET 实验的数据分析提供了重要的理论依据和实践指导。
研究人员在研究中用到了多种关键技术方法。首先是全原子显式溶剂分子动力学模拟，通过构建包含荧光团的无序肽模型，在模拟环境中详细观察肽链和荧光团的动态变化。其次是布朗动力学模拟（Brownian dynamics simulations），用于研究荧光团的旋转扩散运动。还有 Rouse 链模拟（Rouse chain simulations），以此探讨链动力学对能量转移效率的影响。同时，结合单分子荧光光谱测量技术，获取实验数据，与模拟结果相互验证。
下面来看看具体的研究结果：
染料取向分布和动力学的影响 ：染料取向的分布和动力学在解释 FRET 实验中观察到的转移效率方面起着关键作用。研究人员通过布朗动力学模拟，系统地分析了τ ro t τ D < ε > ? τ ro t τ D τ ro t / τ D 距离分布和链动力学 ：无序和未折叠蛋白质分析的一个重要方面是存在广泛的分子内距离分布P ( r ) ν < ε > i so P ( r ) r r m s τ r τ D < ε > ? 模拟 FRET 实验及其定量分析 ：研究人员利用实验验证的全原子模拟生成光子发射数据，模拟单分子 FRET 测量。通过与实际实验数据分析方法相同的流程，对比标准数据分析结果与 MD 模拟的真实情况，评估常用假设的准确性。结果表明，用一维扩散模型量化无序和未折叠蛋白质的链动力学具有一定的合理性，推断的τ r τ r 基于实验数据的力场优化 ：研究人员通过比较模拟和实验的多种观测数据，包括平均转移效率、重配置时间、时间分辨各向异性衰减和暗态百分比等，对模拟参数进行优化。结果发现，略微增加染料 - 水相互作用强度（将 Lennard - Jones ?
综合研究结论和讨论部分，这项研究具有重要意义。它通过全面考虑生物聚合物的分子动力学、FRET 染料的结构和相互作用以及 FRET 的光物理过程等多个方面，系统地评估了影响单分子 FRET 实验观测的所有相关时间尺度。研究发现，即使对于链动力学非常快速的系统，许多在单分子 FRET 实验分析中常用的简化假设在可接受的测量精度范围内是合理的近似。简单的模拟模型，如 Rouse 模型或平均力势中的扩散模型，可用于解释单分子 FRET 和 nsFCS 数据中的链动力学，并量化特定近似的质量。实验和模拟的直接比较为优化模拟模型（包括 MD 模拟的力场）提供了有价值的方法，展示了实验和模拟之间日益增强的协同作用，有助于更深入地理解分子机制，推动单分子 FRET 技术在生命科学研究中的准确应用和发展。
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