构象敏感有机磷光探针揭示冰中氨基酸纳米聚集现象及其对生命起源化学的启示

《Nature Communications》：Confirmation-dependent organic phosphor reveals amino acid nanoaggregates in ice with insight for prebiotic chemistry

本刊推荐：为解决冰冻环境中水溶性有机物聚集行为难以直接观测的难题，研究人员开展了一项基于构象敏感有机磷光体2-苯基苯并噻唑碘化物(SNI)的创新研究。通过结合低温透射电镜(cryo-TEM)、分子动力学模拟和变温拉曼光谱等技术，首次直接证实了氨基酸在冰基质中形成均匀纳米聚集体的现象。这项发表于《Nature Communications》的研究揭示了氨基酸通过温度依赖性质子转移增强疏水性而触发聚集的机制，为理解冰环境在生命起源前多肽形成过程中的关键作用提供了重要实验依据。

　　

在探索生命起源的漫长旅程中，科学家们一直对地球早期寒冷环境中如何形成生命基本构件充满好奇。冰冻环境中的冰基质不仅能够保护有机分子免受宇宙辐射损伤，还可能为氨基酸聚合成多肽提供独特反应场所。然而，长期以来存在一个关键科学难题：在极度稀释的水溶液中，氨基酸如何克服距离障碍实现有效聚集并进一步发生聚合反应？传统理论认为冰冻过程会通过"冰晶排斥效应"将有机分子富集在冰晶间隙，但对于氨基酸这类小分子是否真能形成纳米尺度的聚集体，始终缺乏直接实验证据。

为解决这一难题，中国科学技术大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了突破性研究成果。他们设计了一种巧妙的分子探针策略——利用构象敏感的有机磷光体2-(2-羟苯基)-3-甲基苯并[d]噻唑-3-碘化物(SNI)作为分子尺度传感器。这个探针分子包含酚电子给体和苯并噻唑鎓电子受体，其独特之处在于能够根据周围微环境的变化调整自身构象，并通过磷光发射特性的改变反映出来。

研究团队首先观察到令人惊奇的现象：当含有微量亮氨酸(Leu)或异亮氨酸(Ile)的水溶液冷冻后，SNI探针展现出截然不同的磷光特征。这种差异无法用简单的pH值变化解释，因为两种氨基酸的pK_a值几乎完全相同。更合理的解释是：氨基酸在冰冻过程中形成了具有不同表面特性的纳米聚集体，这些聚集体为SNI探针提供了不同的结合界面，从而诱导其采取不同的基态构象。

为验证这一假设，研究人员采用低温透射电镜(cryo-TEM)直接观察冷冻样品，成功捕获到氨基酸纳米聚集体的清晰图像。亮氨酸形成直径3-5纳米、长度5-20纳米的均匀棒状聚集体，而异亮氨酸的聚集体则呈现更不规则形态，谷氨酸(Glu)则形成数量更多但尺寸较小的聚集体。这些实验结果与分子动力学模拟高度吻合，模拟显示在240K温度下，氨基酸确实会自发形成包含十余个分子的纳米簇。

机制探索方面，研究团队通过变温拉曼光谱发现了一个关键现象：丙氨酸在180K时发生明显的谱图变化，表明氨基酸分子经历了从两性离子形式向中性分子的转变。这一温度依赖的质子转移过程（铵基团质子向羧酸根转移）显著增强了氨基酸的疏水性，从而驱动了聚集行为。与此同时，SNI探针的二维磷光光谱分析揭示了其构象与发光性质的直接关联：当SNI分子采取更平面化的构象时，产生红移磷光（604纳米）；而扭曲构象则导致蓝移发射（510纳米）。

理论研究还深入分析了SNI的电子结构特性。计算表明，去质子化的SNI两性离子表现出典型的π-π*跃迁特征，单重态(S₁)和三重态(T₁)能级分别为2.69电子伏特和1.94电子伏特，较大的能级分裂（ΔE_ST=0.75电子伏特）对应毫秒级磷光寿命。自旋轨道耦合(SOC)计算进一步揭示了系间窜越主要通过S₁-T₂通道发生。

关键技术方法包括：利用低温透射电镜(cryo-TEM)直接观察冰中纳米聚集体形貌，通过分子动力学模拟研究氨基酸聚集行为，采用变温拉曼光谱分析质子转移过程，基于二维磷光光谱解析SNI构象变化，以及通过理论计算阐明电子结构特性。所有实验均使用超声加热溶解后经0.1微米水相滤膜过滤的氨基酸水溶液样品。

研究结果

磷光光谱分析揭示氨基酸特异性微环境

SNI探针在77K条件下对不同氨基酸展现出独特的磷光响应特征。在亮氨酸存在时，SNI在596纳米处呈现黄色磷光，寿命56.28毫秒；而组氨酸(His)使其磷光蓝移至563纳米，寿命延长至86.01毫秒。特别是酸性氨基酸如谷氨酸，诱导SNI产生513纳米的绿色磷光，寿命达73.93毫秒。这种系统性的蓝移现象与氨基酸溶液的pH值变化趋势一致，但仅用pH效应无法解释结构相似氨基酸（如亮氨酸与异亮氨酸）之间的显著差异。

分子模拟证实纳米聚集体的形成

分子动力学模拟在240K温度下清晰展示了氨基酸在冰基质中的聚集行为。亮氨酸形成致密疏水簇，表面相对平滑；异亮氨酸虽然化学结构相似，但形成更无序的表面结构；谷氨酸则因带电侧链形成更扩展的亲水结构。静电势图分析进一步揭示了这些聚集体表面化学性质的显著差异，为理解SNI探针的不同响应提供了结构基础。

低温电镜直接观测纳米结构

cryo-TEM图像为氨基酸纳米聚集体的存在提供了最直接的证据。在纯水或仅含SNI的冷冻样品中，冰基质呈现均匀平滑结构。而添加氨基酸后，可清晰观察到分散的纳米聚集体，其形态和数量因氨基酸种类而异。浓度梯度实验表明，聚集体的数量随浓度增加而增多，但尺寸保持相对稳定（1-7纳米），这一现象在多种氨基酸体系中均得到验证。

构象依赖的磷光机制

通过系统分析SNI的二维磷光光谱，研究人员建立了分子构象与发光特性的直接关联。与亮氨酸聚集体相互作用时，SNI采取更平面化的构象，产生604纳米的磷光；而与异亮氨酸或谷氨酸聚集体作用时，分子扭曲导致激发蓝移。理论计算表明，随着苯环与苯并噻唑环之间二面角的变化，磷光发射能量在2.2-3.0电子伏特范围内可调，充分解释了实验观察到的光谱多样性。

质子转移驱动的聚集机制

变温拉曼光谱研究揭示了氨基酸聚集的分子机制。丙氨酸在0.50M浓度下，864厘米^-1和935厘米^-1处的特征峰在180K时发生蓝移并突然消失，表明氨基酸从两性离子形式转变为中性分子。这一温度诱导的质子转移过程显著增强了氨基酸的疏水性，从而驱动了纳米聚集体的形成。

讨论与结论

本研究通过多学科技术手段，首次提供了氨基酸在冰基质中形成纳米聚集体的直接实验证据。研究不仅证实了冰冻诱导的微相分离现象，更重要的是阐明了其分子机制——温度依赖的质子转移过程导致氨基酸疏水性增加，从而触发聚集。这一发现对理解生命起源前化学演化具有重要意义：氨基酸的纳米聚集为后续的富集和聚合反应创造了必要条件，冰环境可能通过这种机制促进了早期多肽的形成。

SNI探针作为构象敏感的分子传感器，其独特的光物理性质为研究冰基质中的分子相互作用提供了新工具。研究表明，即使微小的结构差异（如亮氨酸与异亮氨酸）也会导致聚集形态的显著不同，进而影响其预生物化学行为。这提示我们在研究生命起源时，需要更加关注分子水平的结构-功能关系。

该工作将冰冻环境中的物理过程与化学演化相联系，为地球早期寒冷环境中生命起源的研究提供了新视角。研究提出的三阶段模型（纳米聚集→冰升华富集→外部能量驱动聚合）为实验验证预生物多肽形成途径奠定了坚实基础。未来研究可进一步探索不同宇宙辐射条件下，这些纳米聚集体如何促进更复杂生物分子的形成，从而深化我们对生命起源的认识。