利用单分子力相关谱（FCS）绘制生物分子能量景观：理论与应用

在当前的原子力显微镜（AFM）实验中，通过施加恒定拉伸力 $f_s$ 来测量展开时间分布 $P(t)$，由此获得表观展开速率。为了描述底层能量景观的复杂性，需要额外的探针，以纳入力猝灭后多肽链的张力传播与弛豫动力学。我们引入了力相关谱（FCS）理论来绘制蛋白质能量景观的参数。在 FCS 中，折叠与展开时间的联合分布 $P(T,t)$ 是通过重复施加恒定 $f_s$ 的拉伸周期来构建的，这些拉伸周期之间由释放期 $T$ 隔开，在释放期内力被猝灭至 $f_q < f_s$。在释放期内，蛋白质可塌缩至紧致状态流形或重折叠。我们表明，$P(T,t)$ 可用于解析展开动力学以及原生接触的形成，并以链伸展作为反应坐标，利用 $P(T,t)$ 提取能量景观的参数。我们通过分析具有 $\beta$ 折叠结构的粗粒化蛋白质 S1 在多个 $f_s$、$T$ 和 $f_q=0$ 下的展开-重折叠轨迹模拟，阐明了所提形式体系的实用性。拉伸-弛豫轨迹的模拟被用于绘制表征 S1 能量景观的诸多参数。