太赫兹驱动可控分子异构化：精准调控生物分子构象的新策略

研究团队通过分子动力学模拟揭示了太赫兹(THz)光可驱动视网膜衍生物(rwSb)中σ键的定向旋转异构化，实现了频率特异性、非侵入且可逆的分子构象调控。该研究为精准操纵生物分子构象（如视黄醛异构体转换）提供了新方法，对药理学和生物化学领域具有重要应用价值。

　　

在生命科学领域，分子构象变化如同生物活动的"密码开关"，从蛋白质折叠到信号传导，都依赖于化学键的异构化。然而，传统调控方法如温度改变或化学修饰往往缺乏精准性，且可能破坏复杂的生物系统。尤其对于σ键（单键）旋转引发的异构化，其能量壁垒虽低于π键（双键），但热运动驱动的随机性使得精确控制成为难题。这一挑战在视觉光感受器视紫红质中尤为突出——其11-顺式视黄醛(11-cis retinal)向全反式异构体的转换需要克服约20 kcal/mol的能垒，而酶催化的肽键旋转调控又缺乏普适性。

针对这一科学瓶颈，浙江大学（根据通讯地址推测）的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究，首次证明太赫兹(THz)电磁波可通过共振能量转移精确驱动σ键旋转，实现生物分子构象的可控切换。这项研究以视紫红质中的游离视黄醛(rwSb)为模型，发现4.7 THz和7.9 THz辐射可分别诱导C8-C9和C12-C13 σ键旋转，使主导构象RET-A（s-trans态）向次要构象RET-B/C（s-cis态）转化，而10.6 THz和11.1 THz则能实现逆向转换。这种"分子旋钮"效应归因于THz电场与键旋转本征频率的共振，使动能突破3-10 kcal/mol的能垒。研究进一步证实该机制可推广至水通道蛋白Aquaporin-4中精氨酸残基的构象调控，为开发非侵入性生物调控技术奠定基础。

关键技术方法包括：1) 基于GAFF力场和Amber14sb的分子动力学模拟；2) 角动量谱分析确定键旋转特征频率；3) 元动力学模拟构建二维自由能面；4) XMS-CASPT2量子化学计算验证能垒；5) 全原子系统在303.15K下的NVT系综模拟。

研究结果揭示：

THz驱动的构象转换

通过5组平行2μs模拟，发现rwSb存在四种典型构象（RET-A占比51.1±3.9%）。4.7 THz（0.8 V/nm）刺激使RET-A向RET-B转化率提升至26.9±9.6%，而10.6 THz可实现逆向调控。类似地，7.9 THz促进RET-A→RET-C转换（16.4±9.9%），11.1 THz引发逆转。

共振能量转移机制

角动量谱分析显示，RET-A在4.7 THz处存在特征峰，与C8-C9键扭转模式匹配。THz电场通过偶极耦合使旋转动能(ER)从96±19 kJ/mol增至116±25 kJ/mol，足以克服28.5 kJ/mol能垒。

生物物理效应

构象变化使opsin-rwSb结合自由能降低，主要源于邻近氨基酸相互作用改变。系统RMSD波动<0.2 nm，证明THz刺激不影响蛋白质整体结构。

普适性验证

在水通道蛋白Aquaporin-4中，THz辐射同样驱动Arg216的C-N σ键旋转，证实该技术对多种生物分子的适用性。

这项研究开创性地建立了太赫兹辐射与分子构象调控的定量关系，其意义在于：1) 提供了一种分子特异性、非侵入性的构象操控手段，克服了传统方法的局限性；2) 揭示了THz-分子旋转共振的物理化学本质，为电磁场生物效应研究提供新范式；3) 在药物设计领域，可通过远程调控配体构象来优化受体-配体相互作用；4) 为发展基于太赫兹技术的精准医疗（如神经调控、靶向治疗）奠定理论基础。正如作者Zhi Zhu、Shiyu Gu等强调的，这项发现将推动太赫兹技术在生物医学工程、超分子化学等领域的交叉应用。