水在纳米限域或界面环境下表现出与体相完全不同的热力学与动力学性质。例如，极端限域的水可以在远低于0℃时仍保持液态，或者结晶成异于常规冰的多晶型态。在生物体系中，细胞内大量拥挤的生物大分子将水局限在纳米级空间，由此衍生的特殊水环境会显著影响蛋白折叠、酶促反应速率等过程。尤其在深度过冷条件下，限域水的复杂动力学特征与相变行为息息相关。然而，人们对于限域过冷水的“动力学非均一性”知之甚少。这一非均一性指的是液体中存在快慢不同的分子运动区域，它在体相过冷水中尤为明显：移动较慢的区域往往出现局部冰样的结构排布，成为日后冰核的“温床”。正是这种较慢动力学与增强结构有序度的耦合，使得动力学非均一性被认为促进了体积水中的冰晶成核。然而，当水被限制在纳米尺度（例如蛋白质表面）时，这种动力学-结构间的关联是否会被显著改变，目前尚不清楚。澄清这一问题对于理解限域环境下冰核形成的机制至关重要。
中国科学院福建物质结构研究所庄巍团队针对上述问题开展了系统的模拟研究。他们选取了四种代表性体系：小球蛋白UBQ、复杂血红素蛋白CYP、黄粉虫抗冻蛋白TmAFP和丁香假单胞菌冰核蛋白PsINP，将每种蛋白于240 K下浸润一层水分子后进行了分子动力学模拟，并与体相水进行对比。为揭示水分子动力学与局部结构间的关系，作者进一步引入了等构像系综分析（Isoconfigurational Analysis）技术，即从同一初始构型出发、赋予不同随机初始速度来运行独立轨迹系综，并基于此计算其相对迟滞性指标。这种方法能消除初始动量涨落的影响，将水分子运动行为特征与其结构特征直接关联起来。此外，作者还计算了体系Van Hove自关联函数等动力学量以定量刻画局部扩散和滞留行为。
模拟结果表明蛋白质限域对过冷水动力学非均一性的决定因素产生了显著影响。在体相水中，水分子的取向四面体序参量q（衡量局部氢键网络接近冰的程度）与其相对迟滞性呈强相关：q值高的水分子往往保持较低的扩散速率（即“慢水”），体现出动力学-结构紧密耦合。相反，在所有受检蛋白的单层水中，q对水分子动力学的影响被大大削弱：不同q值下的水分子扩散差异很小。取而代之的是单分子局部密度ρ成为限域水动力学异质性的主导因素：局部环境空隙较大的水（低ρ）具有更高的移动性，而被邻近原子拥挤包围的水（高ρ）则移动缓慢。这一转变意味着在限域环境中，“结构预有序”（高q的冰样局部结构）不再对应于“动力学迟缓”，动力学非均一性与结构预有序在单层水中发生了解耦。上述趋势在促成核蛋白PsINP界面最为极端：PsINP表面的受限水中，不同q值的水动力学几乎无系统差异，慢水与冰样结构之间的关联降至最低。相比之下，在其它蛋白界面，仍可观察到一定程度上慢水偏向于局部有序结构的趋势，但明显弱于体相水。蛋白质纳米界面因而显著削弱了过冷水中动力学滞缓与预成核结构间的关联。
图1. 体积水 vs. 蛋白限域水的动力学非均一性对比。(a) 示意图展示造成动力学异质性的不同因素：体积水中取决于最近邻水分子的四面体构型有序度q；限域单层水中取决于单分子局部密度ρ。(b) 水分子局部扩散率的概率分布。可以看到限域水的局部密度分布略有不同但总体偏低密度。(c,d) 水的动力学非均一性快照：球体表示水分子，大小代表其局部扩散率（大球=运动更快）。颜色在(c)中表示四面体有序度q，在(d)中表示局部密度ρ。左侧是体相水，右侧为蛋白（PsINP）表面单层水，可以看出体相水中缓慢的蓝色水主要对应高q的结构，而限域水中缓慢区域更多受限于蛋白表面凹槽。（e,f）定量关联分析：e显示体积水中缓慢区域与四面体有序度q强相关（红色曲线随q增大而上升），但在各蛋白限域水中这种相关性很弱；f显示限域水中缓慢区域与局部密度ρ呈一定相关（不同颜色曲线趋势接近单调），而体积水中无明显ρ相关性。
本工作进一步针对上述不同体系中水分子临近成核时出现的冰样水团簇进行分析，发现在体相水中冰样水团簇几乎总是由那部分运动最慢的水分子构成。慢水区充当了孕育冰核的温床。然而在蛋白限域水中冰样簇水分子的运动速率分布更接近随机：如果没有任何相关性，冰样簇中的水分子在慢速区域的重合比例理论值应为5%。对于PsINP等蛋白界面，这一重合率非常接近5%，说明冰样水簇形成几乎不挑“慢水”。即使在其他蛋白界面上，冰样簇也仅表现出很弱的偏向稍慢水的倾向。特别地，PsINP的冰结合表面 (ice binding surface, IBS) 上产生的冰样水簇，对慢水的依赖最低，几乎呈现无偏性；而TmAFP的冰结合面上冰样水簇仍有与普通蛋白相似的偏向（倾向于稍慢的水），暗示其作用机制更类似一般界面。
进一步分析表明，在限域环境下冰晶成核的动力学途径也发生了改变：体相水中存在明显的成核前动力学迟滞（水分子扩散在冰核出现前数百皮秒就开始减慢），相反，蛋白质界面水直到极接近成核时才出现动力学变化，表明其冻结机制更可能是由界面分子有序结构触发的呈阈值式、界面驱动的协同成核，而非依赖大范围非均一动力学慢区逐步孕育。
本工作探索了限域水动力学-结构耦合的内在机理，对受限环境中冰晶成核理论和生物抗冻机理提供了新见解。从分子层面展示了通过蛋白质等限域环境可以实现水分子氢键网络动力学与结构的去耦合，从而改变过冷液体的成核路径。拓展了传统玻璃态/冰核形成理论在纳米尺度下的图像。其次，本研究比较了促成核蛋白与抗冻蛋白对界面水的作用差异，发现尽管二者均有规则冰亲和界面，但只有促成核蛋白显著削弱了水的动力学-结构相关性，而抗冻蛋白未如此。这暗示了冰核蛋白可能通过降低成核所需的动力学重排障碍，来实现高效成冰；而抗冻蛋白则可能利用界面水的有序-缓慢耦合来稳定自身表面的冰样水层，从而阻止自由冰核的形成。这些推论有待进一步实验证实，但为理解生物冰冻调控提供了方向。最后，从应用角度看，如果我们能通过调节界面属性来控制水的动力学非均一性与结构预有序程度，就有望在材料防冰、食品冷冻和细胞低温保存等方面取得突破。例如，设计具有特定亲水/疏水图案的表面，诱导水以无序快速的方式冻结，或延缓冰核形成，都可能成为有效策略。
本论文第一作者为福建物质结构研究所的金坦博士。本研究受到国家自然科学基金（22273106）、中科院战略先导项目（XDB1170000）、海西研究院自部署项目（CXZX-2022-GH02）和福建省STS项目（2024T3023，2024T3001）的资助。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Protein Confinement Decouples Dynamical Heterogeneity from Structural Preordering in Supercooled Monolayer Water
Tan Jin, Wei Zhuang*
JACS Au 2025, DOI: 10.1021/jacsau.5c01219
导师介绍
庄巍
https://www.x-mol.com/university/faculty/202305
