上海应用物理研究所方海平、吕军鸿、邰仁忠、张立娟等联合中国科学院大连化学物理研究所李国辉课题组通过蛋白活性测量，X射线荧光吸收和成像，纳米粒径分析和理论模拟等手段，结合实验和模拟首次从分子水平上研究了生理惰性气体在蛋白溶液中的聚集行为及其对蛋白活性的影响。该论文发表在Scientific reports, 2017, 7, 10176.
早在100多年前，人们已经发现Kr、Xe、N2等生理惰性气体具有麻醉效应。在分子层面，早前研究发现Xe可以抑制NMDA亚型谷氨酸受体实现保护神经的作用。另外，人们还发现这些生理惰性气体可以与一些生物分子或者离子通道结合发挥生理功能，进而影响一系列重要的生命过程。从化学角度来看，Kr、Xe、N2等生理惰性气体几乎不参与生命体中的任何化学反应，仅仅通过非常微弱的范德华作用进行物理吸附，所以很难想象它们会有生物效应。显然，需要从全新的思路出发，来解释这些悬而未解的惰性气体的生物效应。
该研究团队通过理论和实验相结合说明，能够产生这些生理效应的关键是纳米气泡的存在。惰性气体通过聚集成纳米气泡，大幅度增加了与生物分子的疏水功能位点的吸附作用，导致疏水功能位点被纳米气泡覆盖，失去与配体的作用机会。他们选取三种生理惰性气体Kr、Xe、N2和胃蛋白酶做为研究对象来说明这个问题。活性实验发现，通入生理惰性气体Xe、Kr、N2大大抑制了胃蛋白酶的活性；而最重要的是，脱气后，活性几乎全部恢复，说明这个抑制主要是物理过程。借助于上海光源硬X射线荧光微聚焦线站的荧光吸收和成像，研究人员测量了胃蛋白酶溶液在充气和脱气后溶液中Xe和Kr的荧光吸收强度和二维成像，证明了蛋白溶液存在远高于溶液本身溶解度的气体浓度，并进一步通过粒径分析发现体系内存在大量不同粒径分布的“纳米粒子”。分子动力学模拟结果给出Xe、Ke和N2气体分子都能以气泡形态特异性地吸附于蛋白的疏水位点上，并且和蛋白的结合强度次序与其对蛋白功能的影响强弱次序相同。此前，方海平等人通过分子动力学模拟指出惰性气体分子可能以纳米气泡形式通过疏水作用覆盖蛋白活性位点，并对蛋白质功能造成影响(Scr. Rep. 3, 1660(2013)。该工作从实验上进一步证明了惰性气体的生理学作用，即通过纳米聚集和分散，可以导致蛋白活性的抑制和恢复。
该发现对“惰性气体具有麻醉效应”这个世纪之谜提供了新的基本理解，对气体、包括非惰性气体的物理效应、对生命系统的效应提供了新思路。
该工作得到973、863项目、国家自然基金、中国科学院前沿科学重点研究计划和院重点项目的资助。也感谢上海光源荧光微聚焦线站和软X射线谱学显微线站线提供的机时和线站人员的协助。（物理与环境科学部 供稿）
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图1通气前后和脱气后气体的荧光吸收，蛋白活性和理论模拟气体分子聚集的主要数据 |
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图2 通Xe后0.5mg/ml蛋白溶液的X射线荧光成像 |
图3含Xe与不含Xe的胃蛋白酶溶液中不同粒径的纳米颗粒浓度分布 |
