阿里·阿尔卡法吉（Ali Alkhafaji）|瓦利德·阿拉卢西（Waleed Alaloosi）|纳林德吉特·辛格·萨瓦兰·辛格（Narinderjit Singh Sawaran Singh）|赫姆恩·A·H·巴尔扎尼（Hemn A.H. Barzani）|马赫穆特·塔内尔（Mahmut Taner）|索海尔·萨拉赫舒尔（Soheil Salahshour）|哈尼·萨赫拉马内希（Hani Sahramaneshi）
伊拉克卡尔巴拉Warith Al-Anbiyaa大学高级技术学院
**摘要**
本研究的目的是利用分子动力学（MD）模拟方法，探讨外部电场和热流对SARS-CoV-2主要蛋白酶（Mpro）在水/银纳米流体环境中结构稳定性的影响。研究重点关注关键的动力学和能量参数，包括均方位移、扩散系数和相互作用能，以评估该蛋白酶-纳米流体系统在不同外部条件下的响应。结果表明，外加电场显著影响了蛋白酶的动力学行为和结构稳定性。数值模拟显示，随着电场幅度从0.1 V/Å增加到0.5 V/Å，扩散系数和相互作用能分别从0.65 Ų/ps和-1888.19 kcal/mol增加到6.446 Ų/ps和5650.44 kcal/mol。此外，MD结果表明外部热流也对生物分子的稳定性起着重要作用。当热流从1 W/m²增加到2 W/m²时，蛋白酶结构内的原子波动增加，从而加剧了结构的不稳定性。总体而言，这些发现表明电场和热流都能显著改变SARS-CoV-2主要蛋白酶在水/银纳米流体环境中的移动性、相互作用行为和稳定性。这些结果为病毒蛋白结构对外部物理刺激的响应提供了分子层面的见解，并可能为未来基于抗病毒纳米流体的系统设计提供参考。
**1. 引言**
冠状病毒是一类具有包膜的、正链单链RNA病毒，能够感染人类和多种动物宿主。其中，SARS-CoV-2由于其快速传播和对公共卫生的影响而受到全球广泛关注。在分子层面，这种病毒的行为和功能受特定结构蛋白和酶的调控，其中主要蛋白酶（Mpro）在病毒复制和转录中起着关键作用。因此，了解这些生物分子结构在外部物理条件下的稳定性和行为具有重要意义。
先前的研究已经探讨了SARS-CoV-2在不同环境条件下的稳定性和持久性（Gataa等人，2025年；Xiao等人，2024年）。Heinrich等人（Heinrich等人，2021年）报告了SARS-CoV-2的存活能力，表明病毒RNA在组织中可以长期存在。Dylan等人（Morris等人，2021年）研究了温度和相对湿度的影响，发现较高温度下病毒的半衰期显著缩短。Sharma等人（Sharma等人，2021年）也表明，即使是温和的温度升高也会破坏病毒的结构稳定性。除了环境因素外，计算方法也被广泛用于研究病毒系统。Yu等人（Yu等人，2021年）开发了一个SARS-CoV-2病毒粒子的粗粒度模型，以更好地理解病毒组装和进入等过程。Chen等人（Chen等人，2025年）研究了SARS-CoV-2相关生物分子系统的分子相互作用和结构稳定性，表明环境条件会显著影响蛋白质的行为和相互作用动态。Li等人（Li等人，2022年）利用分子模拟技术分析了SARS-CoV-2生物分子的结构响应和相互作用机制，强调了外部因素在调节其稳定性方面的作用。Harbison等人（Harbison等人，2022年）使用分子动力学（MD）模拟研究了糖链盾在稳定刺突蛋白中的作用。此外，Domingo和Faraudo（Domingo和Faraudo，2023年）以及Sahihi和Faraudo（Sahihi和Faraudo，2022年）研究了表面活性剂与SARS-CoV-2组分之间的相互作用，表明纳米级别的相互作用会显著影响蛋白质结构和稳定性。
尽管有这些研究，但外部电场（EF）和热流（HF）对纳米流体环境中病毒生物分子结构稳定性的综合影响仍缺乏充分探讨。特别是，含银纳米颗粒的水基纳米流体与病毒蛋白结构在外部扰动下的相互作用尚未在原子水平上进行系统研究。由于全原子分子动力学模拟的计算限制，无法对完整的病毒粒子进行建模；因此，本研究使用SARS-CoV-2主要蛋白酶（Mpro，PDB ID：7RN1）作为代表性的病毒生物分子系统。本研究旨在利用MD模拟，探讨外部EF（0.1–0.5 V/Å）和HF（1–5 W/m²）对Mpro在水/银纳米流体中结构稳定性的影响。分析重点关注关键参数，包括均方位移（MSD）、扩散系数和相互作用能（IE），以提供病毒蛋白在外部物理场下稳定性和相互作用机制的分子层面见解。
**2. 模拟与方法**
**2.1. 模拟细节**
本研究旨在利用MD模拟，探讨水/银纳米流体与SARS-CoV-2主要蛋白酶（Mpro，PDB ID：7RN1）之间的相互作用，并评估其在外加EF和HF作用下的结构稳定性。SARS-CoV-2主要蛋白酶的原子结构来源于Protein Data Bank（XXXX），该结构是与抑制剂Jun9-62-2R复合物中的晶体结构，作为代表性的病毒生物分子模型。根据中性pH下的标准残基状态指定了SARS-CoV-2主要蛋白酶的质子化状态，并在结构制备过程中添加了氢原子。模拟系统使用Avogadro（Hanwell等人，2012年）生成水分子和银纳米颗粒，而PACKMOL（Martínez等人，2009年）用于在模拟域内分配所有组分。定义了一个尺寸为145 Å × 145 Å × 145 Å的立方模拟盒子，并在三个空间方向上施加周期性边界条件，以模拟体相行为并消除边界效应。系统中的总原子数为9020个，包括2420个SARS-CoV-2主要蛋白酶原子、6000个水分子原子以及600个形成纳米流体相的银（Ag）原子。
粒子间的原子相互作用使用Lennard–Jones（LJ）势能描述，以考虑范德华力。在施加外部扰动之前，系统在Nose–Hoover恒温器下通过经典（NVT）系综进行平衡，以确保热稳定性和适当的能量分布。这个平衡阶段使系统温度和动能趋于稳态值。平衡后，模拟切换到微经典（NVE）系综，以在保持总能量的情况下研究系统的固有动力行为。（表1）
**表1. 本模拟的MD模拟参数**
| 参数 | 值或方法 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
|---------------|----------------------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
**2.2. 力场**
本MD模拟中，原子间相互作用结合使用了非键合势能和键合势能进行建模。原子间的非键合相互作用（包括范德华力）采用LJ势能描述：
$$
(4) U_LJ = 4\epsilon_{ij} \left[ \sigma_{ij}^{r_j} - r_j \right]^{-12} - \left( \sigma_{ij}^{r_j} + r_j \right)^6
$$
其中，$ r_j $表示原子i和j之间的距离，$ \epsilon_{ij} $是势能井的深度，表示相互作用的强度，$ \sigma_{ij} $是粒子间势能为零的有限距离。所有LJ相互作用都应用了12 Å的截断半径（Singh等人，2025年）。不同原子类型的LJ参数总结在表2中。为了确保不同原子间的适当相互作用，使用Lorentz–Berthelot混合规则计算了交叉相互作用参数：
$$
(5) \epsilon_{ij} = \frac{\epsilon_i \epsilon_j}{2}
$$
$$
\sigma_{ij} = \sigma_i + \sigma_j
$$
**表2. MD模拟中粒子的LJ势能参数**（Rappé等人，1992年；Mayo等人，1990年）
蛋白酶分子结构内的键合相互作用采用谐波势能描述键的拉伸和角度弯曲。谐波键势能定义为：
$$
(7) V_{bond} = \frac{1}{2k}(r - r_0)^2
$$
其中，$ V_{bond} $表示与键相关的势能，$ r $是键的当前长度，$ r_0 $是其平衡长度，$ k $是表示键强度的力常数。角间相互作用则使用谐波角势能描述：
$$
(8) V_{\angle} = \frac{1}{2k}\theta^{2 - \theta_0}
$$
其中，$ \theta $是原子当前形成的角度，$ \theta_0 $是平衡角度，$ k_{\angle} $是控制弯曲强度的力常数。这些键合参数能够准确反映生物分子系统的结构完整性和内部灵活性。模拟中使用的平衡键长和角度分别列在表3和表4中。这种键合势能和非键合势能的组合，能够真实地描述蛋白酶-纳米流体系统内的分子间稳定性和界面相互作用。
**3. 平衡过程**
首先通过分子动力学模拟建立了SARS-CoV-2主要蛋白酶-水/银纳米流体的平衡状态。通过监测总能量（TE）和势能（PE）随模拟时间的演变来评估平衡过程，如图3所示。如图3a所示，在300 K的温度下，势能在模拟初期迅速降低，并在大约1 ps内达到约1.76 kcal/mol的稳定值，之后只有轻微波动。同样，总能量（图3b）在同一时间尺度上稳定在约2.67 kcal/mol，进一步证实了稳态条件的达成。从物理角度来看，TE和PE的快速稳定反映了初始原子重排的减少以及系统组分之间平衡相互作用的建立。能量的显著无漂移和仅有小幅波动表明系统达到了适合分析的准平衡状态。尽管总模拟时间限制在10 ps内，但能量曲线的快速收敛表明系统在短时间内达到了稳定配置。因此，选定的平衡时间足以捕捉系统对外部扰动（如EF和HF）的初始结构和动态响应。这些结果为后续分析提供了可靠的基础。
**4. 通过径向分布函数（RDF）验证**
平衡建立后，进一步使用径向分布函数（RDF）分析了SARS-CoV-2主要蛋白酶（Mpro）的结构特征，以验证MD模拟结果的准确性。RDF描述了在参考原子一定距离处找到原子的概率，常用于表征原子系统的局部结构有序性（Mosavi等人，2020年）。在本研究中，计算了SARS-CoV-2主要蛋白酶原子的RDF，以评估其平衡后的内部结构组织。RDF（径向分布函数）轮廓的变化提供了关于蛋白酶内部原子间距离、原子排列以及结构有序程度的见解。例如，定义明确的峰表示稳定的局部有序性，而宽化的峰可能表明结构灵活性增加或紧凑性降低。如图4所示，蛋白酶在达到平衡状态后的RDF轮廓表现出稳定且物理上一致的模式，这表明分子结构已经达到了一个平衡状态。获得的RDF趋势与在类似条件下先前报道的生物分子系统的结果一致（XXXX），从而证实了模拟设置和力场参数的可靠性。从物理角度来看，RDF分析表明蛋白酶在平衡后保持了其结构完整性，为后续研究其对外部电场（EF）和高频场（HF）条件的响应提供了可靠的基准。
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图4. SARS-CoV-2主要蛋白酶在平衡过程后的RDF。
5. 结果与讨论
均方位移（MSD）和扩散系数是分析分子动力学模拟中原子运动性和动态行为的关键参数。在本研究中，这些指标被用来研究在施加外部电场（EF）条件下SARS-CoV-2主要蛋白酶（Mpro）在平衡水/银纳米流体系统中的演变。MSD表示原子相对于初始位置的平均平方位移，其随时间的变化可以揭示原子运动和系统动力学。MSD曲线的线性增加表明了扩散行为，这与布朗运动一致。扩散系数D是根据MSD曲线的斜率使用爱因斯坦关系式计算得出的（Melzer等人，2022年），为系统内的原子运动性提供了定量测量。模拟结果显示，MSD随着模拟时间的增加而逐渐增加，在电场强度为0.1 V/Å时达到36.18 nm²（见图5）。相应的，扩散系数计算为0.65 Ų/ps。这种行为表明系统内原子运动性的增加，可以归因于外部电场引起的动态活性的增强。
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图5. 在0.1 V/Å电场下模拟样本的MSD变化。
SARS-CoV-2主要蛋白酶（Mpro）与周围水/银纳米流体之间的能量相互作用通过IE（势能）进行了分析，如图6所示。IE提供了系统内分子间相互作用强度和性质的洞察。如图6a所示，蛋白酶-纳米流体系统的IE在10 ps后降至-196.82 kcal/mol。这种减少表明纳米流体组分与蛋白酶表面之间的吸引力增强。这种行为表明纳米颗粒、水分子和生物分子结构之间的界面接触增加以及亲和力增强。图6b展示了蛋白酶系统内的IE（蛋白内部相互作用），其中IE降低到-1888.2 kcal/mol。这一趋势反映了蛋白酶结构内部相互作用的重新分布。分子内IE的变化可能与模拟过程中微妙的构象调整和原子排列变化有关。从物理角度来看，IE幅度的减小表明系统向能量更有利的构型转变，这是由增强的分子间和分子内相互作用驱动的。在蛋白酶-纳米流体系统中，这种行为可以归因于生物分子与周围流体组分之间原子层面相互作用的增加。
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图6. 在0.1 V/Å电场下的IE变化：(a) 蛋白酶-纳米流体相互作用；(b) 蛋白内部（蛋白-蛋白）相互作用。
5.1. 电场强度的影响
使用MSD和扩散系数评估了外部电场强度对系统动态行为的影响，如图7所示。结果表明，随着电场强度的增加，MSD和扩散系数均显著增加。具体来说，当电场强度升至0.5 V/Å时，MSD达到384.64 nm²，扩散系数增加到6.446 Ų/ps。这一趋势反映了在更强电场条件下系统内原子运动性的显著增强。从物理角度来看，施加的电场对带电和极化原子施加了额外的力，导致原子位移增加和动态活性增强。这导致SARS-CoV-2主要蛋白酶-纳米流体系统内的结构波动增大，以及纳米流体组分与蛋白酶表面之间的相互作用增强。原子运动性的增加也可能与蛋白酶结构紧凑性的降低有关，因为较大的原子位移会导致平均原子间距离略微增加和局部分子间相互作用的减弱。因此，在较高的电场强度下，系统趋向于结构稳定性降低。
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图7. SARS-CoV-2主要蛋白酶-水/银纳米流体系统的(a) MSD和(b) 扩散系数随电场强度的变化。
随着外部电场强度的增加，系统的动态行为变得更加明显，导致SARS-CoV-2主要蛋白酶（Mpro）与周围水/银纳米流体之间的IE发生显著变化，如图8所示。结果表明，在较高电场强度下，IE从负值变为正值。具体来说，在0.5 V/Å的电场强度下，IE增加到285.45 kcal/mol。这种转变反映了纳米流体组分与蛋白酶之间的相互作用类型从吸引转变为排斥。从物理角度来看，施加的电场对带电和极化原子施加了力，增强了原子位移并改变了分子间相互作用。在较低的电场强度下，吸引力占主导，促进了纳米流体组分与蛋白酶表面的更紧密结合。随着电场强度的增加，增强的场诱导力破坏了这种平衡，导致排斥相互作用增加和界面亲和力降低。对于蛋白内部相互作用（图8b）也观察到了类似的趋势，其中IE随电场强度的增加而显著增加，在最高电场强度下达到5650.44 kcal/mol。这种行为表明蛋白酶内部相互作用环境发生了显著变化，可能与结构波动增加和构象稳定性降低有关。
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图8. 随电场强度增加的IE变化：(a) 蛋白酶-纳米流体相互作用；(b) SARS-CoV-2主要蛋白酶内的蛋白内部相互作用。
表5. 在不同电场强度下MSD、扩散系数和IE的变化。
最初，使用MSD分析了SARS-CoV-2主要蛋白酶-水/银纳米流体系统在高频场（HF）下的动态行为，如图9所示。随着模拟时间的增加，在1 W/m²的HF下，系统的MSD在10 ps时间步后增加到0.81909 nm²。这一趋势表明由于热能输入，系统内的原子运动性增强。相应的扩散系数在这些条件下收敛到0.819 nm²/ns，反映了由热波动驱动的原子运动速率。从物理角度来看，施加的HF增加了原子的动能，导致更大的原子位移和蛋白酶-纳米流体系统内的更明显的结构波动。
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图9. 在1 W/m²的HF下SARS-CoV-2主要蛋白酶-水/银纳米流体系统的MSD变化。
从IE分析中获得了对系统行为的进一步洞察，如图10所示。蛋白酶与纳米流体之间的IE在100,000时间步后降至-300.216 kcal/mol，表明生物分子与周围流体组分之间的吸引力增强和界面结合增强。相比之下，蛋白内部的IE收敛到768.225 kcal/mol，反映了蛋白酶结构内部相互作用力的变化。这些IE的变化表明HF通过修改系统内的原子运动和能量分布影响了界面和内部相互作用。增加的热能促进了结构波动并改变了分子间力的平衡，可能破坏了蛋白酶的构象稳定性。
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图10. 在1 W/m²的HF下：(a) 蛋白酶-纳米流体相互作用；(b) SARS-CoV-2主要蛋白酶内的蛋白内部相互作用。
通过进一步分析MSD和扩散系数，如图11所示，研究了HF强度对SARS-CoV-2主要蛋白酶-水/银纳米流体系统动态行为的影响。结果表明，MSD随着HF的增加而增加，最高达到0.9956 nm²（见图11a）。这种行为反映了由于热能输入增加导致的原子运动性增强。在相同条件下，扩散系数达到1.044 nm²/ns（见图11b），表明系统内的原子运动加剧。然而，当HF超过2 W/m²时，MSD和扩散系数略有下降。这种行为表明过高的热输入可能会增加原子碰撞和局部结构限制，部分限制了长程原子位移。从物理角度来看，适度的HF增强了原子波动并促进了蛋白酶的结构灵活性，而过高的HF可能会引入竞争效应，从而降低有效运动性。这些结果表明存在一个最佳的热条件，在该条件下原子运动和结构波动达到最大化。不同HF强度下的数值结果总结在表6中。
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表6. 在不同HF强度下MSD、扩散系数和IE的变化。
图11. 在不同HF强度下SARS-CoV-2主要蛋白酶-水/银纳米流体的(a) MSD和(b) 扩散系数的变化。
图12. IE分析进一步揭示了HF对SARS-CoV-2主要蛋白酶-水/银纳米流体系统结构和相互作用行为的影响，如图12所示。结果表明，在2 W/m²的HF下，蛋白酶与纳米流体之间的IE达到最小值，即-999.889 kcal/mol。这种IE的减少表明在适度热条件下，蛋白酶与周围纳米流体组分之间的吸引力增强。相比之下，蛋白内部的IE在同一HF水平下达到最大值。这种行为表明蛋白酶结构内部相互作用力的重新分布，可能与结构波动增加和构象重排有关。从物理角度来看，界面相互作用的增强和分子内相互作用的改变表明HF在改变系统能量平衡方面起着重要作用。在适度的HF水平下，增加的热能增强了原子运动并促进了纳米流体与蛋白酶之间的更强相互作用，同时也影响了生物分子的内部结构组织。这些发现表明HF可以调节界面和内部相互作用动态，从而改变蛋白酶的结构稳定性。
图13展示了在不同HF条件下的SARS-CoV-2主要蛋白酶的表面网格可视化，包括（a）平衡后以及（b）1、（c）2、（d）3和（e）5 W/m²最终模拟时间。对这些配置的比较分析显示，特别是当HF增加到2 W/m²（图13c）时，结构波动更加明显，与平衡配置（图13a）相比有明显偏离。这种行为表明在适度热条件下原子运动性增强和结构紧凑性降低。在更高的HF值（3和5 W/m²，图13d-e）下，蛋白酶结构表现出更不规则的构象变化。这些变化可以归因于热能输入的增加，它加剧了原子振动并促进了局部结构重排。然而，在过高的热条件下，长程结构的一致性似乎部分受到限制。从物理角度来看，这些观察表明HF显著影响了蛋白酶的结构稳定性，通过增强原子层面的波动和灵活性。重要的是要强调，这些结构变化对应于构象变化和重组，而不是完全的结构崩溃或化学降解。
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图13. 在不同HF条件下的SARS-CoV-2主要蛋白酶的SA结构评估，包括（a）平衡后以及（b）1、（c）2、（d）3和（e）5 W/m²最终模拟时间。
6. 结论
本研究使用分子动力学（MD）模拟研究了外部高频场（HF）和电场（EF）对SARS-CoV-2主要蛋白酶（Mpro）在水/银纳米流体存在下的结构稳定性的影响。研究结果表明，高频（HF）和电场（EF）显著影响了蛋白酶-纳米流体系统的动力学和能量行为。分析显示，高频在调节原子移动性和界面能（IE）方面起着关键作用，当电场强度达到2 W/m²时，系统表现出最大的动力学响应，此时扩散系数为1.044 nm²/ns，界面相互作用也得到了增强。同样，增加电场强度会导致分子平均位移（MSD）和扩散系数的显著增加，表明原子运动和结构波动加剧。界面能分析表明，高频和电场都改变了界面作用与蛋白质内部作用之间的平衡，从而在更强的外部扰动下导致蛋白质结构组织发生变化，构象稳定性降低。这些效应归因于场诱导力以及热能输入，它们增强了原子位移并改变了分子间相互作用。总体而言，这些发现从分子层面对外部物理场如何影响纳米流体环境中病毒蛋白系统的结构动力学和稳定性提供了见解。这些结果有助于更好地理解蛋白质-纳米流体在外部扰动下的相互作用，并可能为基于纳米流体的系统的未来发展提供支持，以实现与生物分子结构的可控相互作用。
作者贡献声明：
Ali Alkhafaji：撰写、审阅与编辑
Waleed Alaloosi：撰写、原始稿本编写
Narinderjit Singh Sawaran Singh：验证
Hemn A.H. Barzani：监督
Mahmut Taner：概念化
Soheil Salahshour：写作
Hani Sahramaneshi：写作、审阅与编辑
