天然棉纤维表面超微结构及其变化的定量分析

天然棉纤维为异质性生物大分子，其超分子结构复杂. 通过对棉纤维细胞壁横切面的微观分析，发现其结构单元主要是微纤丝，异质性棉纤维超分子结构主要是微纤丝聚集排列方式的变化造成的. 利用原子力显微镜（AFM）对棉纤维表面立体结构的直接观察分析也进一步确证微纤丝聚集排列方式的多样性. AFM获得的结构图像是三维立体的，其起伏变化的指标——表面粗糙度，能够定量地表征棉纤维表面超微结构（微纤丝交叉区与平行区）及其降解过程中的变化程度. 对比X光衍射（XRD），红外光谱（FTIR）等跟踪棉纤维结构的变化结果，AFM对表面超微结构的分析能够在更深层次上反映具体结构的变化规律，从而为解决异质性的纤维素超分子结构与酶解效率之间定量关系的研究奠定了基础.     

生物质的抗降解性及其生物炼制中的科学问题

木质纤维素资源的化学成分和结构复杂,目前还缺少能够破坏纤维素结构稳定性的低成本技术,生物降解转化的效率还不能适应大规模工业化要求。国内这方面基础研究相对薄弱,急需针对生物质抗降解屏障与生物转化的难点,围绕其中3个关键科学问题开展研究：（1）植物生物质是如何抗生物降解的——从生物降解转化的角度深入研究这一系列抗性屏障的特性,寻求破解之道,是实现生物质高效转化的基础;（2）微生物是如何攻击植物生物质抗降解屏障的——深入研究微生物降解木质纤维素的机理、多样性以及酶系合成调控,探寻人工构建低成本且高效的复合酶系的可能途径;（3）破解抗性屏障和提高转化效率的可能途径——分子生物学和系统生物学研究的发展为生物的定向设计与改造提供了可能,通过设计和改造植物、微生物及其降解酶系,选育适于转化纤维素为大宗平台化合物的微生物,研究其代谢调控,构建代谢工程菌,研究定向转化的过程及相关产品,结合物理化学预处理技术的研究,可望集成和设计出新的木质纤维素类生物质生物转化液体燃料和化学品的综合生物炼制技术方案。     

生物大分子的分子动力学模拟过程在百万亿次集群上的部署优化

分子动力学模拟作为研究生物大分子功能和性质的新工具,已广泛应用于蛋白质和核酸等物质的分子动态学行为研究,但目前常规分子动力学模拟时间尺度较小,不能达到生物大分子分子动态行为的有效取样范围。温度副本交换分子动力学可同时运行多个独立模拟,明显提高模拟时间的可及尺度,但需要千核以至万核的计算资源,目前已发表的相关文献其模拟体系使用的计算资源均较小。本文利用国家超算济南中心的神威4000A百万亿次集群,首先进行单副本的分子动力学模拟,然后利用外切纤维素酶催化结构域的模拟体系(约5万原子)进行多达128个温度副本的分子动力学模拟,一次模拟任务最多成功利用6 720个CPU核心同时进行计算,最高总运算速度累计达到2 274 ns/d,这为分子动力学模拟利用上万核心进行计算提供了新的思路。