新光谱技术揭秘活细胞内水的微观结构

水是生命活动的不可或缺的基质，调控着细胞内许多关键的生物过程，如蛋白质折叠、酶催化和膜自组装等。尽管水在生物系统中至关重要，但由于实验技术的局限，科学家对细胞内水的微观结构仍知之甚少。围绕细胞内水的特性，学术界存在两大学派的争论。一派认为，细胞内水的动态和结构完全类似于体相水(bulk water)。另一派主张，细胞内水的结构主要受其与周围生物分子界面效应的影响(interfacial water)，与体相水存在显著差异。

长期以来，振动光谱（vibrational spectroscopy）技术是研究水结构的主要手段。目前流行的和频振动光谱（sum frequency generation spectroscopy）依赖宏观的延展界面而产生信号，难以在活细胞中应用。红外吸收光谱和传统拉曼散射光谱虽能直接测量活细胞中的水的振动光谱，但由于它们探测的是体积性质，缺乏内秉的界面选择性，因此难以区分体相水与生物界面水。此外，细胞内高浓度的溶质信号，比如蛋白质骨架和侧链中的N-H键振动信号对O-H伸缩区域有干扰，进一步增加了谱线解析的难度。

近期，哥伦比亚大学的闵玮（点击查看介绍）团队在Nature Communications 上发表了一项开创性的研究，揭示了活细胞内水的微观结构。该研究采用了一种创新的拉曼显微光谱技术（Raman micro-spectroscopy），发现了不同单个活细胞里普遍存在着大约3%的独特的（与普通体相水迥然不同的）生物界面水。这种生物界面水表现出削弱的氢键网络和更为无序的四面体结构。研究团队描绘了水在细胞中的结构和分布，进而推测细胞内的可溶蛋白质周围包裹着一层约2.6埃厚（大约正好是一个水分子单层）的生物界面水。这一发现不仅为理解细胞内的基本生物过程提供了新的实验手段，还可能对未来的生物医学研究和应用产生深远影响。

研究团队构建了一台专用的共焦拉曼显微镜，优化了探测体积，能够高效地收集到活细胞中的拉曼散射信号，同时抑制背景噪声和细胞外水的干扰，确保数据的精度。研究人员首先比较了全细胞的拉曼光谱与纯水的拉曼光谱，检测到在O-H伸缩振动区域存在微小但显著的差别。为解决溶质背景问题，研究团队提出并验证了一种实验策略，即通过室温真空干燥除去细胞水分，从而获取了没有水分干扰的全细胞拉曼光谱，量化了细胞中溶质的谱线贡献。

随后，研究人员证明了活细胞光谱中的O-H伸缩区域并非溶质和溶剂(体相水)的简单叠加，而是存在微观结构上发生改变的生物界面水。为了解决活细胞光谱中各组分信号的混合问题，尤其是区分占绝对优势的体相水，研究人员发展了新兴的拉曼多元曲线分解技术（Raman-MCR），并将其首次应用于活细胞研究。该技术能够将活细胞拉曼光谱精确分解为体相水和生物界面水的信号，进行光谱定量分析，分别解析这些信号的结构特点。这些技术进展使得首次揭示活细胞中水的结构组成、丰度及振动光谱成为可能。

该研究揭示了在不同细胞类型中，存在一种少量但一致的水分子成分（约3%），其与体相水相比具有迥然不同的结构特征。这种水被研究团队称为生物界面水（主要分布在生物分子附近）。进一步的光谱分析表明，跟普通的体相水相比，这部分生物界面水的氢键网络结构明显较弱，呈现更加无序的（更接近于水蒸汽的）四面体结构。通过精确的实验和建模，研究团队发现细胞内的可溶蛋白质周围包裹着一层约2.6埃厚的生物界面水，显著影响着细胞内的生化过程。有趣的是，这一数值正好是一层水分子的厚度。这一发现改变了我们对细胞内水结构的传统认知，显示出细胞内的大部分水仍保留了类似于体相水的结构，但在生物分子附近存在显著的结构改变。此外，他们观察到不同个体细胞和不同细胞类型中生物界面水的光谱结构保持一致，研究团队推测这可能是维持细胞内蛋白质组热力学稳定性的基础。

总之，这项研究不仅为理解细胞内水的结构提供了新的视角，也为未来研究细胞内的其他生物过程提供了新的方法和工具。研究团队指出，未来的研究可以进一步探索细胞内水结构在不同微观环境条件下的变化，深入了解水在生命过程中的作用。同时，这一发现也为开发新的生物医学成像技术提供了新的思路，可能对疾病的早期诊断和治疗产生重要影响。

这一研究成果近期发表在Nature Communications 杂志上，哥伦比亚大学的博士后郎小琦博士为文章的第一作者；复旦大学的施立雪博士和哥伦比亚大学的赵之仑博士也对该研究做出了贡献，闵玮教授为文章的通讯作者。闵玮团队欢迎新的研究生和博士后加入其课题组。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Probing the structure of water in individual living cells

Xiaoqi Lang, Lixue Shi, Zhilun Zhao & Wei Min

Nat. Commun., 2024, 15, 5271, DOI: 10.1038/s41467-024-49404-9

导师介绍

闵玮

https://www.x-mol.com/university/faculty/1407