木聚糖酶广泛分布于各种生物体内,其能够将木聚糖催化水解为五碳糖。由于耐热木聚糖酶能在高温下保持活性,因而广泛应用于工业生产中。研究耐热木聚糖酶热稳定性的作用机理必将产生显著的社会效益和经济效益。本文中以长时间分子动力学模拟获得的来自T.aurantiacus的耐热木聚糖酶和来自S.lividans的常温木聚糖酶的构象变化为基础,分别构建水-氨基酸相互作用网络和氨基酸-氨基酸相互作用网络,运用复杂网络理论方法分析两种类型的网络,从系统的水平上阐述耐热木聚糖酶和常温木聚糖酶热稳定性差异的机制。本文的主要研究内容包括:(1)首先利用Voronoi算法识别出与耐热和常温木聚糖酶存在相互作用的水。以氨基酸和水为节点,氨基酸-氨基酸及水-氨基酸的相互作用为边,构建水-氨基酸相互作用网络。计算网络中节点的度、聚类系数、接近中心性和节点中心性,发现水的这些参数均与木聚糖酶耐热性成正相关关系。耐热木聚糖酶中度为2的hub水数量要比常温酶多,可见水在耐热木聚糖酶中参与了更多的相互作用。以度为2的水为聚类中心,以氨基酸节点的度18为阈值进行聚类。聚类后的子网表明hub水多与hub氨基酸聚为一类,即网络存在“富人俱乐部”现象。这表明,水不仅参与了耐热木聚糖酶的氨基酸-水相互作用,还加强了氨基酸-氨基酸相互作用,更有利于酶形成稳定的结构来抵御高温。(2)构建无加权氨基酸网络,使用结合复杂网络中识别重要节点的标准和多元变量的统计分析方法找出木聚糖酶氨基酸网络中的关键残基。发现氨基酸网络中的大部分关键残基都均匀的分布在规则的二级结构中,并且较大一部分关键残基都是疏水性残基。此外观察关键残基的演化规律发现相比于常温木聚糖酶,耐热木聚糖酶中关键残基随着温度的升高仍能在网络中保持主导地位。(3)针对FCM算法的局限性,加以改进得到适用于木聚糖酶氨基酸网络聚类的S-FCM算法。该算法基于密度算法快速聚类的思想对数据进行预处理,通过对数据预处理,获得能反映数据实际分布的社团数目和初始聚类中心,然后在网络节点信息的基础上引入氨基酸之间的序列信息,提高了算法的质量和精度。此外,发现耐热木聚糖酶的模块度比常温木聚糖酶要高,说明耐热木聚糖酶模块与模块间的相互作用较弱,某个模块的变化对其他模块的影响较小,这样在某种程度上维持了氨基酸相互作用的稳定性,从而影响木聚糖酶的耐热性。(4)为了分析木聚糖酶氨基酸网络中社团的演化规律,使用进化聚类框架和S-FCM算法。分析不同温度下的氨基酸网络,对每个时间步长下的网络快照进行聚类,并通过衡量社团最基本的特征定量分析氨基酸网络中社团演化的规律。当社团间的相似值为0.3时有更合理的节点分配精度和数量识别值。此外,发现耐热木聚糖酶社团中有更多的疏水性氨基酸以及大部分氨基酸分布在规则的二级结构中,同时随着温度升高,耐热木聚糖酶氨基酸网络有更明显的社团结构,以及社团内部有更紧密的相互作用。综上所述,通过对耐热木聚糖酶和常温木聚糖酶的水-氨基酸网络和氨基酸-氨基酸网络比较分析,发现水对木聚糖酶热稳性的影响与网络参数之间有正相关关系,同时耐热木聚糖酶氨基酸网络中社团结构更明显,以及社团中氨基酸与氨基酸之间的作用更加紧密。