蛋白质的约束作用将动态异质性与过冷单层水中的结构有序性分离开来

《JACS Au》：Protein Confinement Decouples Dynamical Heterogeneity from Structural Preordering in Supercooled Monolayer Water

超冷层状水在蛋白质约束下的动力学异质性研究表明，与体水相比，水分子在蛋白质界面附近表现出与局部密度更强的相关性，而四面体有序度的影响减弱，特别是冰核蛋白PsINP界面附近，动力学异质性耦合显著降低，无明显的动力学潜伏期。蛋白质界面通过几何约束而非氢键网络主导水分子运动，改变了冰形成的微观机制。

　　水在纳米尺度的限制或界面处表现出与体相水截然不同的物理化学特性，这种特性在自然界和工程应用中具有广泛的重要性。从土壤孔隙、矿物界面到冷冻保存和能量存储，以及特别是在生物系统中，这种受限水的存在无处不在。特别是在细胞中，大分子的拥挤将水限制在纳米尺度的区域内，从而深刻地影响了从生化反应速率、蛋白质折叠到分子间相互作用等过程。不同于被动的溶剂，受限水在这些过程中往往扮演着积极的角色。

在超冷温度下，水在准二维（2D）限制中展现出与体相水不同的相行为。这种受限水可以在体相水会结晶的温度下保持液态或非晶态，并且可以固结成在体相冰中未见的非常规冰多态。在生物系统中，一个典型的例子是高活性昆虫抗冻蛋白，其疏水核心会束缚一层非晶态水；这种多五边形的氢键水网络有助于稳定蛋白质的构象，并提供一个类似于冰晶结构的冰结合界面。这种现象表明，受限水不仅在物理性质上有所改变，而且在结构上也具有独特性。

高度受限的超冷水的相行为与它的动态特性紧密相关。例如，模拟研究表明，当水被限制在石墨烯片之间时，随着超冷温度的下降，水层会结晶，这一现象符合经典成核理论的预测，原因是动态时间尺度的解耦。这一发现强调了动态因素在受限水相变中的重要性。然而，许多关于受限超冷水复杂动态特性的方面仍然不明确。

动态异质性，即不同空间区域具有不同运动能力的现象，是超冷水动态特性的一个显著特征。在体相水中，这种异质性表现为相对缓慢移动的区域，这些区域倾向于形成局部冰状结构（即临界前结构有序）并有效地作为新生冰核的种子。这种动态缓慢与结构有序之间的关联表明，异质动态促进了体相水中的冰成核过程，如其他玻璃形成液体所观察到的那样。然而，尚不清楚纳米限制是否显著改变这种动态异质性，以及这些异质动态波动如何与临界前结构有序耦合。明确这些相互作用对于理解纳米受限水的冰成核机制至关重要，这对冷冻保存、气候科学等领域有广泛的影响。

我们结合了同构分析和van Hoff相关函数来研究受限于蛋白质环境的超冷水单层的动态异质性及其与局部结构的关系。研究发现，蛋白质的限制显著削弱了水动态异质性对局部环境的依赖。因此，在蛋白质界面处，通常在体相水中观察到的缓慢动态与冰状结构之间的耦合大大减弱，尤其是在冰成核蛋白PsINP中。一致地，受限于蛋白质界面的水没有显示出明显的预结晶减缓，而体相水则在冰成核之前表现出显著的减缓，这表明在受限环境下，冰成核的机制存在显著差异。这些发现为理解蛋白质环境如何调节深超冷水的行为提供了新的视角，并对在纳米尺度上控制冰形成具有重要意义。

受限水的动态异质性起源于不同的因素。在体相水中，动态异质性主要由氢键结构环境决定，尤其是局部四面体结构的形成。而在蛋白质包裹的水单层中，水的运动则主要受到几何拥挤的影响，对氢键结构的依赖性显著降低。这种运动与结构之间的解耦，意味着在蛋白质界面处，水的运动状态不再与局部结构形成明显的关联。这种现象在冰成核蛋白PsINP的界面尤为明显，其冰结合表面能够提供一个与冰晶结构相匹配的模板，使得相邻的水分子能够在不经历通常的减缓或结构重组的情况下组织成冰状结构。

在体相水中，动态减缓通常发生在冰成核之前，形成所谓的动态预成核期。然而，在蛋白质受限的水单层中，这种动态减缓并不存在。水的局部扩散率（LD）在蛋白质表面保持稳定，而冰状结构参数（lq6）则在接近成核时间时才出现急剧上升。这种现象表明，蛋白质界面处的冰成核机制与体相水存在显著差异。在体相水中，缓慢的动态活动为冰成核提供了内在的“育苗”环境，使得小的有序区域逐步扩展，从而形成冰核。而在蛋白质界面处，冰成核则需要一系列协调的分子重排来克服空间限制，而不是依赖于缓慢的局部区域。

我们进一步研究了受限水在预成核阶段与动态减缓之间的时间关联。结果显示，在蛋白质界面处，水分子的动态减缓并不早于冰状结构的形成，而是在接近成核时间时才出现。这种现象说明，蛋白质界面处的冰成核过程与体相水的成核机制存在根本性的区别。在体相水中，缓慢的动态活动与结构有序之间存在紧密的耦合，而受限水则表现出不同的行为模式。

此外，我们还分析了不同蛋白质表面的水分子如何受到局部环境的影响。研究发现，尽管表面极性或电荷可能对水分子的动态行为产生一定影响，但几何拥挤是主导因素。在PsINP的冰结合表面，由于其与冰晶结构的匹配度较高，水分子能够以更少的减缓形成冰状结构。这种现象表明，蛋白质表面提供的结构模板能够显著降低冰成核所需的能量障碍，使得水分子能够在不经历传统减缓的情况下快速组织成冰状结构。

研究还揭示了受限水在不同蛋白质表面的动态异质性变化。对于非冰结合蛋白，尽管水分子在局部结构上仍存在一定的关联，但这种关联远弱于体相水。而在PsINP的冰结合表面，这种关联几乎完全消失，表明该表面能够有效地解耦水的结构与动态行为。这种现象对于理解蛋白质如何影响水的动态特性具有重要意义，尤其是在控制冰形成方面。

总的来说，本研究通过分子动力学模拟和同构分析，揭示了蛋白质受限超冷水单层与体相水在动态特性上的显著差异。在受限环境下，水的结构与动态之间的耦合被大大削弱，尤其是在冰成核蛋白PsINP的界面处。这种现象表明，蛋白质界面能够提供一个独特的环境，使得水的动态行为与结构形成不再紧密相关，从而改变冰成核的机制。这些发现不仅加深了我们对受限水动态特性的理解，也为在生物分子界面处控制冰形成提供了新的思路。