作者丹妮尔·兰德尔·道蒂，麻省理工学院 在乙型流感病毒M2蛋白的跨膜质子通道的关闭(左)和打开(右)状态之间可以看到不同的水动力学
水分子在开放状态下的取向比在封闭状态下的取向稍高，从而允许通过水的氢键进行“质子跳跃”
学分:麻省理工学院 在一项新的水动力学研究中，由梅红教授领导的麻省理工学院化学家团队与亚当·威拉德副教授合作，发现离子通道中的水是各向异性的，或者说是部分排列的
研究人员的数据是同类数据中的第一个，证明了水动力学和质子在离子通道中的传导顺序之间的关系
这项工作也为抗病毒药物或其他治疗方法的开发提供了潜在的新途径
洪实验室的成员进行了复杂的核磁共振(NMR)实验，以证明M型流感病毒的质子通道内存在各向异性的水，威拉德小组的成员进行了独立的全原子分子动力学模拟，以验证和补充实验数据
洪是这项研究的资深作者，他的研究成果发表在《通讯生物学》上，由洪实验室的马丁·格林、文卡塔·曼陀罗和奥雷利奥·德雷尼以及威拉德集团的米希尔·尼森和迪娜·莎伦合著
渠道水和流感病毒 乙型流感病毒蛋白BM2是一种蛋白质通道，它使病毒酸化，帮助病毒将其遗传物质释放到感染的细胞中
该通道中的水在帮助流感病毒变得有传染性方面起着关键作用，因为它促进通道内的质子传导以穿过脂质膜
此前，洪的实验室研究了氨基酸组氨酸如何将质子从水中转移到流感病毒中，但他们没有详细研究水分子本身
这项新的研究为全面理解M2通道内水和组氨酸之间的混合氢键链提供了缺失的一环
为了抑制流感病毒蛋白，必须用小分子堵塞通道——我
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抗病毒药物——这样水通路就会被阻断
为了使水-水氢键排列成“质子跳跃”，水分子必须至少部分取向
然而，在不冷冻样品的情况下，通过实验检测通道中水分子的微小残留排列是极其困难的
因此，以前关于这个主题的大多数研究都是由像威拉德这样的计算化学家进行的
关于这个主题的实验数据通常限于在低温下获得的晶体结构
洪实验室采用了一种弛豫核磁共振技术，这种技术可以在大约0摄氏度的更温和的温度下使用
在这个温度下，水分子旋转得足够慢，研究人员第一次观察到了通道中的流动性和剩余取向
更多空间，更多秩序 洪的核磁共振实验表明，在开放状态下，BM2通道的水分子比在封闭状态下排列得更整齐，尽管开放状态下的水分子要多得多
研究人员通过测量水质子的一种叫做化学位移各向异性的磁性来检测这种剩余顺序
低酸碱度下的高水位令人惊讶
洪表示:“这最初与我们的直觉相反。”
“我们从以前的大量核磁共振数据中知道，开放通道中有更多的水分子，所以人们会认为这些水分子在更宽的通道中应该更无序和随机
但是不，根据弛豫核磁共振数据，水实际上稍微好一点
“分子动力学模拟表明，这一顺序是由关键的质子选择性残基组氨酸诱导的，组氨酸在低酸碱度下带正电荷
通过使用固态核磁共振光谱和分子动力学模拟，研究人员还发现，水在低酸碱度开放状态下比在高酸碱度封闭状态下更快地旋转和平移穿过通道
这些结果共同表明水分子经历小幅度的重新定向，以建立质子跳跃所必需的排列
抑制质子传导，阻断病毒 通过使用威拉德和他的团队进行的分子动力学模拟，研究人员能够观察到水网络在开放状态下比在封闭状态下具有更少的氢键瓶颈
因此，开放通道中水分子更快的动力学和更高的取向顺序建立了水网络结构，这是防止病毒部分跳跃和成功感染所必需的
当流感病毒进入细胞时，它会进入一个叫做内体的小隔间
内体室是酸性的，这触发蛋白质打开其水渗透途径，并将质子导入病毒
酸性酸碱度有高浓度的氢离子，这是M2蛋白传导
没有水分子传递质子，质子就不会到达组氨酸，组氨酸是一种关键的氨基酸残基
组氨酸是质子选择性残基，它旋转是为了让水分子携带的质子穿梭
水分子和组氨酸之间的中继链因此负责通过M2通道的质子传导
因此，本研究的发现可能与抗病毒药物的开发和其他实际应用相关
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