Graph Clustering Analyses of Discontinuous Molecular Dynamics Simulations: Study of Lysozyme Adsorption on a Graphene Surface

分子动力学 自编码 生物分子 吸附 聚类分析 堆积 石墨烯 材料科学 生物系统 纳米技术 化学 化学物理 计算机科学 人工智能 计算化学 深度学习 生物 有机化学
作者
Jing Chen,Enze Xu,Yong Wei,Minghan Chen,Tao Wei,Size Zheng
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:38 (35): 10817-10825 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.2c01331
摘要

Understanding the interfacial behaviors of biomolecules is crucial to applications in biomaterials and nanoparticle-based biosensing technologies. In this work, we utilized autoencoder-based graph clustering to analyze discontinuous molecular dynamics (DMD) simulations of lysozyme adsorption on a graphene surface. Our high-throughput DMD simulations integrated with a Go̅-like protein–surface interaction model makes it possible to explore protein adsorption at a large temporal scale with sufficient accuracy. The graph autoencoder extracts a low-dimensional feature vector from a contact map. The sequence of the extracted feature vectors is then clustered, and thus the evolution of the protein molecule structure in the absorption process is segmented into stages. Our study demonstrated that the residue–surface hydrophobic interactions and the π–π stacking interactions play key roles in the five-stage adsorption. Upon adsorption, the tertiary structure of lysozyme collapsed, and the secondary structure was also affected. The folding stages obtained by autoencoder-based graph clustering were consistent with detailed analyses of the protein structure. The combination of machine learning analysis and efficient DMD simulations developed in this work could be an important tool to study biomolecules' interfacial behaviors.
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