中科大团队MD研究登上Nature子刊！

冰基质中小有机分子（如氨基酸）的研究对于理解前生命化学具有重要意义。水冰基质不仅能保护氨基酸免受宇宙辐射影响，还能在星际云、系外行星、陨石及地球等环境中促进肽链与蛋白质等大分子的形成。

冷冻诱导有机溶质在冰中富集的现象，长期以来被推测在前生命化学与生命起源中发挥着关键作用，但对于稀释性水溶性有机物在冰内聚集的直接证据仍显不足。

DOI: 10.1038/s41467-025-65885-8

鉴于此，2025年12月3日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心张国庆课题组在Nature Communications上发表研究成果。

本研究采用构象敏感型有机磷光探针2-苯基苯并噻唑碘化物，揭示了氨基酸在水冰中形成纳米聚集体的现象。通过该探针检测到异常且具有氨基酸特异性的磷光信号，进而引导研究团队采用冷冻透射电子显微镜对冷冻样品进行观测，直接观测到均匀的纳米聚集体。

这些纳米聚集体形成了独特的局部微环境，影响了探针的光物理性质，诱导其产生特定基态构象，从而引发构象依赖的磷光发射。

综合理论计算、分子动力学模拟及变温拉曼光谱分析表明，丙氨酸等氨基酸在冷冻过程中经历了温度依赖的质子转移过程（从铵基到羧酸根基团），增强了其疏水性并触发聚集现象。

氨基酸在冰中的这种富集效应可能为聚合反应提供了先决条件，为揭示原始冰环境如何影响肽基前生命化学提供了新的见解。

本研究开发了一种基于2-(2-羟基苯基)−3-甲基苯并[d]噻唑-3-鎓碘化物的光谱探针策略。该探针因其酚羟基官能团及增强的分子内运动能力而具备高灵敏度，可在不同微环境中采取不同的基态构型，从而通过多变的磷光行为反映其与外部基质间的特异性相互作用。

图1：冰基质中生命起源前多肽形成的可能机制

令人惊讶的是，研究者发现在分别含有22.2mM亮氨酸与异亮氨酸的水冰样品中，其光谱特征表现出显著差异。

研究者将此探针应用于水-氨基酸体系，选取了具有代表性的水溶性氨基酸——亮氨酸、苯丙氨酸、组氨酸、谷氨酸及谷氨酰胺进行研究。

初步观测表明，微量亮氨酸的引入导致546nm附近的荧光带减弱，同时在515nm和596nm处出现具有清晰振动精细结构的强磷光带，使体系的光致发光在肉眼观察下呈现绿色（图2a）。

图2：77K下含氨基酸的SNI水溶液的磷光光谱与寿命

为探究探针与聚集体直接接触的可能性，首先在冰基质中进行了分子动力学模拟（图3）。模拟在具有六方冰特征氢键网络结构的晶态冰框架中进行。如影片S1-S6所示，模拟揭示了含氨基酸水溶液在240K条件下的成核与结晶过程。

图3：SNI/氨基酸/H₂O体系的分子动力学模拟、低温透射电镜图像及二维磷光光谱

分子动力学模拟在240K条件下进行，该温度低于TIP4P-2005水模型中Ih型冰的熔点温度（1大气压下约252K）。

为进一步阐明质子化状态与分子构型如何影响探针的光致发光行为，我们基于X射线衍射获得的坐标数据开展了理论计算（图4）。

通过系统探究不同质子化情景与构型配置，这些计算从电子结构、共轭长度及分子间相互作用的协同效应角度，为理解观测到的磷光特征提供了更深入的见解。

图4：SNI的激发态能级、自旋轨道耦合矩阵及构象依赖磷光计算

去质子化两性离子形式的最低单重态与三重激发态轨道分布（图4c）显示出典型的π-π*跃迁特征，其S1态与T1态能量分别为2.69 eV与1.94 eV。

最后，研究者揭示了冰中氨基酸纳米聚集（或称微相分离）现象很可能源于分子内质子转移过程。具体而言，氨基酸在水溶液中通常以两性离子形式存在，但随着温度降低，质子从带正电的氨基向带负电的羧基转移（如图5a插图模型所示），这一过程增强了氨基酸的疏水性，从而诱发聚集行为。

图5：氨基酸的温度依赖拉曼光谱及SNI掺杂氨基酸样品的磷光光谱

综上所述，本研究证实冷冻过程会诱导冰内氨基酸纳米聚集体的形成，而这一过程受到有机磷光探针构象依赖性行为的显著影响。

通过整合磷光光谱、冷冻透射电子显微镜及分子模拟技术，获得了直接证据，表明亮氨酸、异亮氨酸和谷氨酸等氨基酸在冷冻条件下会聚集形成均匀的纳米结构。这些纳米聚集体与探针发生特异性相互作用，使探针根据聚集体形貌采取不同构象，最终产生特征性磷光信号。