細胞實(shí)際上是一個(gè)脂質(zhì)膜包裹著(zhù)的水溶液，其中存在著(zhù) DNA、RNA、蛋白質(zhì)等生物分子，這些生物分子與水分子之間存在著(zhù)大量復雜的相互作用，從而影響著(zhù)它們的穩定性和功能。
RNA 作為中心法則中承上啟下的角色，主要存在于細胞質(zhì)中，與水分子產(chǎn)生了復雜的動(dòng)態(tài)相互作用，這些作用如何影響其結構和功能，目前還知之甚少。
2025年3月11日，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Nature 以加速上線(xiàn)形式發(fā)表了來(lái)自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張凱銘、斯坦福大學(xué) Rhiju Das、Wah Chiu 團隊的題為：Complex water networks visualized by cryogenic electron microscopy of RNA 的研究論文。
該研究展示了一種通過(guò)冷凍電鏡圖密度、統計和化學(xué)指標以及分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)揭示圍繞生物分子（RNA）的剛性水和柔性水的方法，揭示了 RNA 結構中的復雜水網(wǎng)絡(luò )，拓展了冷凍電鏡在捕捉動(dòng)態(tài)水網(wǎng)絡(luò )方面的潛力。這些發(fā)現不僅增進(jìn)了對 RNA 結構穩定性和功能的理解，也標志著(zhù) RNA 結構生物學(xué)研究進(jìn)入新階段，還為未來(lái)研究生物分子水合作用提供了新的方法學(xué)參考。
1982 年，Thomas Cech 在四膜蟲(chóng)中發(fā)現了一種沒(méi)有蛋白質(zhì)參與的具備酶催化活性的 RNA——核酶（Ribozyme），他也因這一發(fā)現獲得了 1989 年諾貝爾化學(xué)獎。
在這項最新研究中，研究團隊通過(guò)冷凍電鏡（cryo-EM）對高度水合分子——四膜蟲(chóng)核酶上的水進(jìn)行了研究，其分辨率分別為 2.2埃 和 2.3 埃。
研究團隊通過(guò)采用結合可分辨性和化學(xué)參數的分割引導的水和離子建模（SWIM）方法，自動(dòng)對核酶的核心中的水分子和鎂離子（Mg2+）進(jìn)行了建模和交叉驗證，從而發(fā)現了 RNA 周?chē)膹碗s水網(wǎng)絡(luò )。
剛性結合水：在 RNA 核心區域（如P4-P6結構域）觀(guān)察到高度有序的水分子，介導 RNA 非經(jīng)典相互作用（如堿基間氫鍵橋接），驗證了 X 射線(xiàn)晶體學(xué)中已知的水位點(diǎn)，并發(fā)現多個(gè)新的水位點(diǎn)。
動(dòng)態(tài)柔性水：在非共識區域，冷凍電鏡密度與分子動(dòng)力學(xué)模擬的擴散水網(wǎng)絡(luò )高度吻合，表明這些區域存在高流動(dòng)性的柔性水分子，傳統原子模型難以捕捉。
該研究首次系統揭示了 RNA 內部水網(wǎng)絡(luò )的復雜性與動(dòng)態(tài)性，為理解 RNA 折疊、催化及溶劑效應提供了原子級視角。表明了水分子不僅僅是RNA折疊的溶劑，還在 RNA 的結構穩定性、催化活性和功能調控中發(fā)揮重要作用，特別是 RNA 核心區域的復雜水網(wǎng)絡(luò )，可能是 RNA 能夠在生理條件下穩定并高效催化的關(guān)鍵。
該研究還提供了一種新的 RNA 結構研究思路，結合冷凍電鏡、分子動(dòng)力學(xué)模擬和自動(dòng)化水分子建模，為 RNA 的功能研究開(kāi)辟了新的方向。這一突破也可能對 RNA 藥物設計、RNA 生物傳感器等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。
此外，該研究還證明了冷凍電鏡不僅能解析剛性水，還能通過(guò)密度特征反映動(dòng)態(tài)水網(wǎng)絡(luò )，推動(dòng)了冷凍電鏡在動(dòng)態(tài)溶劑化研究中的應用邊界，為理解“水-生物分子”相互作用提供了新范式。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08855-w
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