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该研究的主要作者包括Yangyang Zhang、Mingchen Chen、Jiajun Lu、Wenfei Li、Peter G. Wolynes和Wei Wang。研究团队来自南京大学物理系、固体微结构物理国家重点实验室、南京大学先进微结构协同创新中心、温州研究院、中国科学院大学、Rice大学理论生物物理中心等机构。该研究于2022年8月31日发表在《Journal of Physical Chemistry B》期刊上，作为“Jose Onuchic Festschrift”虚拟特刊的一部分。
研究的主要科学领域是酶催化动力学，特别是底物抑制（substrate inhibition）现象的分子机制。底物抑制是指当底物浓度过高时，酶的催化活性反而下降的现象。尽管这一现象在酶催化中广泛存在，但其分子机制仍存在争议。以往的研究通常认为底物抑制源于底物结合步骤或催化前构象重组步骤，但该研究通过单分子水平的计算模型，提出了不同的机制。研究的目标是揭示底物抑制的分子机制，并探讨酶构象平衡与底物抑制之间的关系。
研究采用动态能量景观模型（dynamic energy landscape model）结合分子动力学模拟和能量挫败分析（frustration analysis），以腺苷酸激酶（adenylate kinase, ADK）为模型酶，探讨底物抑制的机制。研究流程主要包括以下几个步骤：
动态能量景观模型的构建
研究团队开发了一个动态能量景观模型，用于描述酶催化循环中不同化学状态之间的能量转换。该模型基于腺苷酸激酶的结构和实验数据，通过蒙特卡罗模拟实现底物结合、产物释放和化学反应等步骤。模型的核心假设是配体结合/解离的过渡路径时间远短于蛋白质构象动力学的时间尺度。
分子动力学模拟
研究使用Cafemol软件包进行分子动力学模拟，模拟了腺苷酸激酶在不同底物浓度下的催化循环。模拟中，ATP浓度固定，AMP浓度变化，以观察底物抑制效应。每个条件下的模拟包括20个独立轨迹，每个轨迹长度为2×10^8 MD步长，相当于约112毫秒的实验室时间尺度。
能量挫败分析
研究使用原子级挫败仪（atomistic frustratometer）分析腺苷酸激酶在不同化学状态下的局部挫败模式。挫败指数用于量化配体结合位点的能量挫败程度，揭示底物抑制与能量挫败之间的关系。
单分子酶动力学分析
研究通过动态能量景观模型，计算了单分子水平的酶动力学特征，包括催化时间的分布和各个步骤的时间间隔。通过分析这些数据，揭示了底物抑制对单分子酶动力学的影响。
底物抑制的分子机制
研究发现，底物抑制源于过量AMP通过非特异性结合抑制了能量挫败但动力学有利的催化路径。这一路径涉及ATP与ADP的共结合复合物，其能量挫败有助于促进产物ADP的释放。过量AMP抑制了这一路径，导致产物释放减慢，整体催化速率下降。
酶构象平衡与底物抑制的关系
研究揭示了酶构象平衡与底物抑制之间的紧密联系。偏向封闭构象的酶突变体表现出更强的底物抑制效应。这一发现与以往实验观察到的酶稳定性与底物抑制之间的关系一致。
单分子酶动力学的特征
研究显示，底物抑制条件下，单分子催化时间的分布呈现非指数特征，且产物释放时间间隔显著延长。这一结果支持了底物抑制主要源于产物释放步骤的减慢。
该研究揭示了腺苷酸激酶底物抑制的动力学再分配机制，即过量AMP通过抑制能量挫败路径减缓产物释放，从而降低整体催化速率。这一机制与以往认为底物抑制源于底物结合或构象重组的观点不同。研究还表明，酶构象平衡对底物抑制有重要影响，偏向封闭构象的酶突变体表现出更强的底物抑制效应。此外，研究通过单分子水平的动力学分析，提供了底物抑制对酶动力学影响的详细特征。
新颖的底物抑制机制
研究提出了底物抑制的动力学再分配机制，揭示了过量AMP通过抑制能量挫败路径减缓产物释放的分子机制。
单分子水平的动力学分析
研究通过动态能量景观模型，首次在单分子水平上揭示了底物抑制对酶动力学的影响，提供了详细的催化时间分布和步骤时间间隔数据。
酶构象平衡与底物抑制的关系
研究揭示了酶构象平衡与底物抑制之间的紧密联系，为理解酶稳定性和底物抑制之间的关系提供了新的视角。
研究还通过原子级挫败分析，揭示了腺苷酸激酶在不同化学状态下的局部挫败模式，进一步支持了底物抑制的动力学再分配机制。此外，研究通过短时间尺度的原子级分子动力学模拟，验证了ATP与ADP共结合复合物对产物释放的促进作用。
该研究通过动态能量景观模型和单分子水平的动力学分析，揭示了腺苷酸激酶底物抑制的分子机制，为理解酶催化动力学提供了新的视角，并具有重要的科学和应用价值。