本报讯 浙江大学物理系交叉学科实验室博士研究生李敬源和美国IBM Watson研究中心研究员、浙江大学生物信息中心客座教授周如洪，中国科学院上海应用物理研究所研究员方海平合作，通过对水通道蛋白的简化模型(即合适半径的纳米碳管)的分子动力学模拟研究，揭示了在纳米尺度下水通道所具有的独特开关特性的分子机制：“排成一列”的水分子之间稳定的氢键相互作用，使纳米水通道一方面可以不受外界环境中无处不在的“噪声”影响，另外又可以有效地对真正的信号作出反应。
    
    这一研究成果3月6日发表在美国《国家科学院院刊》上，文章的研究结果和科学意义得到了审稿人的认可。
    
    细胞是组成生物体的基本单位，每个细胞像一座城池，细胞膜上的磷脂双分子是负责隔绝的“城墙”，而镶嵌其中的各种膜蛋白分子则是流通物质和能量的“门窗”。美国科学家彼得·阿格雷博士发现，细胞膜中存在一种专门允许水分子出入的水通道蛋白，他因此获得了2003年的诺贝尔化学奖。在人体中，目前已经确定的水通道蛋白有11种，其中大部分存在于肾脏、大脑和眼睛中。这种蛋白功能的损伤与多种疾病有关。但是，细胞膜蛋白水通道让水分子进出的具体工作机制，尚有待科学家进一步探索。
    
    李敬源所在课题组的研究成果表明：水通道蛋白有非常奇妙的特性，虽然通道内的电场环境会有一定程度的变化，但水通道蛋白仍能在这种情况下保持一个稳定的流量，同时又能根据真正的开/关信号迅速实现通道的门控，纳米尺度下水通道的这个特性对于水通道蛋白实现其生物学功能非常关键。李敬源介绍说，科学家把在水通道蛋白中不同电环境下的这种变化称为“噪声”，原因是由于纳米通道是个非常微观的系统，一个在宏观看来很微小的变化，在纳米尺度下都会是很大的变化。
    
    李敬源所在课题组以具有合适半径的纳米碳管作为模型系统，用全原子动力学的模拟方法进行研究，发现了这种完美开关特性的背后机制——在纳米通道中，一个个水分子“排成一列”，通过一个水通道蛋白出入细胞，形成水流。水分子之间的氢键作用，使得“排成一列”的水分子成为具有协同作用的水分子链。当外加电荷与水分子的静电相互作用破坏了水分子间氢键的协同作用，便会降低水的流量。研究发现，正是由于水分子之间稳定、协同的氢键相互作用，使水分子能够很好地屏蔽外界的“噪声”，令纳米水通道有如此奇妙的开关特性。
    
    李敬源认为，课题组之所以能够清楚地揭示纳米水通道开关特性的分子机制，得益于对分子动力学模拟数据分析方法的研究。“这种方法让我们清楚地‘看到’原子是如何运动的，为我们详细刻画纳米尺度下分子运动的规律提供了基础。纳米系统和生物系统的独特性会产生很多奇特现象，有时候需要利用交叉学科的优势，从物理学角度出发，用全新的分析手段，才能清楚刻画其中的物理图像，发现这里面全新的物理规律。我想这是我们生物物理学学者的任务，也是唐孝威院士领导的交叉学科实验室所倡导的。”
    
    （周炜 孙琛辉）2007-3-7（二版头条）