Abstract With the rapid development of biological technology and membrane synthesis, water industries have inclined towards biomimetic membranes for water purification and desalination. Aquaporin (AQP) embedded synthetic membranes seem to be promising due to the AQP's high selectivity and permeability, however, the effect of inherent membranous residual stress on protein structure and water permeation has been rarely studied yet and remains unclear. Here, we studied water permeability through the tetrameric human AQP1, embedded in a POPC lipid bilayer, under lateral mechanical stimuli using all-atom molecular dynamics simulations. Four different systems were studied where different stimuli were applied to the simulation cell. By counting the permeation events, we found that radially stretching protein though opens up and widens the pore in the planar direction; it reduced the final permeability compared to control. The hydrostatic pressure stimulus system possesses the highest permeability coefficient followed by the protein compressing system. By screening the water occupancy and pore-lining residues in different systems, we found that stretching the protein increased the dynamics of the pore-lining residues which interrupts the single-file line of water molecules in the pore, hence reducing the likelihood of water molecules to pass the pore. We also observed that the constriction site is located where the two pore-lining residues of ASN76 and ILE 60 meet. Our result provides a benchmark for designing a more efficient membrane desalination system for the treatment of water worldwide.

中文翻译：

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径向拉伸和压缩刺激下水通道蛋白1的渗透水渗透率

摘要 随着生物技术和膜合成技术的飞速发展，水工业越来越倾向于使用仿生膜进行水净化和海水淡化。由于 AQP 的高选择性和渗透性，水通道蛋白 (AQP) 嵌入的合成膜似乎很有前途，但是，固有的膜残余应力对蛋白质结构和水渗透的影响很少被研究并且仍不清楚。在这里，我们使用全原子分子动力学模拟研究了在横向机械刺激下通过嵌入在 POPC 脂质双层中的四聚体人类 AQP1 的水渗透性。研究了四种不同的系统，其中对模拟单元施加了不同的刺激。通过计算渗透事件，我们发现径向拉伸的蛋白质虽然在平面方向上打开并加宽了孔；与对照相比，它降低了最终渗透率。静水压力刺激系统具有最高的渗透系数，其次是蛋白质压缩系统。通过筛选不同系统中的水占有率和孔衬残留物，我们发现拉伸蛋白质增加了孔衬残留物的动力学，中断了孔中水分子的单列线，从而降低了水分子的可能性通过毛孔。我们还观察到收缩位点位于 ASN76 和 ILE 60 的两个孔衬残留物相遇的地方。我们的结果为设计用于全球水处理的更有效的膜脱盐系统提供了基准。与对照相比，它降低了最终渗透率。静水压力刺激系统具有最高的渗透系数，其次是蛋白质压缩系统。通过筛选不同系统中的水占有率和孔衬残留物，我们发现拉伸蛋白质增加了孔衬残留物的动力学，中断了孔中水分子的单列线，从而降低了水分子的可能性通过毛孔。我们还观察到收缩位点位于 ASN76 和 ILE 60 的两个孔衬残留物相遇的地方。我们的结果为设计用于全球水处理的更有效的膜脱盐系统提供了基准。与对照相比，它降低了最终渗透率。静水压力刺激系统具有最高的渗透系数，其次是蛋白质压缩系统。通过筛选不同系统中的水占有率和孔衬残留物，我们发现拉伸蛋白质增加了孔衬残留物的动力学，中断了孔中水分子的单列线，从而降低了水分子的可能性通过毛孔。我们还观察到收缩位点位于 ASN76 和 ILE 60 的两个孔衬残留物相遇的地方。我们的结果为设计用于全球水处理的更有效的膜脱盐系统提供了基准。静水压力刺激系统具有最高的渗透系数，其次是蛋白质压缩系统。通过筛选不同系统中的水占有率和孔衬残留物，我们发现拉伸蛋白质增加了孔衬残留物的动力学，中断了孔中水分子的单列线，从而降低了水分子的可能性通过毛孔。我们还观察到收缩位点位于 ASN76 和 ILE 60 的两个孔衬残留物相遇的地方。我们的结果为设计用于全球水处理的更有效的膜脱盐系统提供了基准。静水压力刺激系统具有最高的渗透系数，其次是蛋白质压缩系统。通过筛选不同系统中的水占有率和孔衬残留物，我们发现拉伸蛋白质增加了孔衬残留物的动力学，中断了孔中水分子的单列线，从而降低了水分子的可能性通过毛孔。我们还观察到收缩位点位于 ASN76 和 ILE 60 的两个孔衬残留物相遇的地方。我们的结果为设计用于全球水处理的更有效的膜脱盐系统提供了基准。我们发现拉伸蛋白质增加了孔衬残留物的动态，这会中断孔中水分子的单列线，从而降低水分子通过孔的可能性。我们还观察到收缩位点位于 ASN76 和 ILE 60 的两个孔衬残留物相遇的地方。我们的结果为设计用于全球水处理的更有效的膜脱盐系统提供了基准。我们发现拉伸蛋白质增加了孔衬残留物的动力学，这会中断孔中水分子的单列线，从而降低水分子通过孔的可能性。我们还观察到收缩位点位于 ASN76 和 ILE 60 的两个孔衬残留物相遇的地方。我们的结果为设计用于全球水处理的更有效的膜脱盐系统提供了基准。