加州大学圣塔芭芭拉分校和纽约大学 (NYU) 的研究人员在对磷酸钙簇的组装机制进行原本直接的调查时，有了一个惊人的发现：水中的磷酸根离子有一种奇怪的习惯，即在它们常见的水合状态之间自发交替和一个神秘的、以前未被报道过的“黑暗”状态。
他们说，这种最近发现的行为对于理解磷酸盐物种在生物催化、细胞能量平衡和生物材料形成中的作用具有重要意义。他们的发现发表在美国国家科学院院刊上
“磷酸盐无处不在，”UCSB 化学教授 Songi Han 说，他是《美国国家科学院院刊》上一篇论文的作者之一。该离子由被四个氧原子包围的一个磷原子组成。“它存在于我们的血液和血清中，”韩继续说道。“它存在于每个生物学家的缓冲液中，存在于我们的 DNA 和 RNA 中。” 她补充说，它也是我们骨骼和细胞膜的结构组成部分。
当与钙结合时，磷酸盐会形成小的分子簇，从而在细胞和骨骼中形成矿物质沉积物。这就是 Han 和合作者 UCSB 的 Matthew Helgeson 和纽约大学的 Alexej Jerschow 准备研究和表征的东西，希望能揭示 UCSB 物理学教授 Matthew Fisher 提出的对称磷酸盐簇中的量子行为。但首先，研究人员必须建立对照实验，其中涉及通过核磁共振(NMR) 光谱和低温透射电子显微镜 (cryo-TEM) 在钙不存在的情况下扫描磷酸根离子。
但由于该项目的 UCSB 和纽约大学学生正在收集参考数据，其中涉及不同浓度和温度的水溶液中天然存在的同位素磷 31 ，因此他们的结果与预期不符。例如，Han 说，在 NMR 扫描期间代表 31P 光谱的线应该会随着温度升高而变窄。
“原因是，当你进入更高的温度时，分子会更快地翻滚，”她解释道。通常，这种快速的分子运动会平均掉各向异性的相互作用，或者取决于这些小分子的相对方向的相互作用。结果将是核磁共振仪器测量的共振变窄。
“我们期待磷核磁共振信号，这是一个简单的信号，峰值随着温度的升高而变窄，”她说。“但令人惊讶的是，我们测量的光谱正在变宽，与我们的预期完全相反。”
这个违反直觉的结果让团队走上了一条新的道路，一个又一个的实验来确定其分子水平的原因。结论，经过一年又一个假设的消除?磷酸盐离子在广泛的生物条件下形成团簇——这些团簇逃避了直接的光谱检测，这可能是它们以前没有被观察到的原因。此外，测量表明这些离子在可见的“自由”状态和黑暗的“组装”状态之间交替，因此信号变宽而不是尖峰。
此外，根据共同主要作者美索不达米亚诺沃塔斯基的说法，随着温度升高，这些组装状态的数量也在增加，这是另一种与温度相关的行为。
“这些实验的结论是磷酸盐正在脱水，这让它们靠得更近了，”她说。在较低的温度下，溶液中的这些磷酸盐中的绝大多数会粘附在水分子上，从而在它们周围形成一层保护水层。在考虑磷酸盐在生物系统中的行为时，通常会假设这种水合状态。
但在更高的温度下，Nowotarski 解释说，它们会脱落水盾，让它们相互粘附。这一概念已通过探测磷酸盐水壳的核磁共振实验得到证实，并通过分析低温透射电镜图像进一步验证，以确定团簇的存在，以及共同主要作者约书亚斯特劳布对磷酸盐组装的能量学进行建模。
据研究人员称，这些动态磷酸盐组装体和水合壳对生物学和生物化学具有重要意义。化学工程师 Matthew Helgeson 说，磷酸盐是一种普遍理解的“货币”，在生物系统中用于通过转化为三磷酸腺苷 (ATP) 和二磷酸腺苷 (ADP) 来储存和消耗能量。
“如果水合磷酸盐、ADP 和 ATP 代表小的‘钞票’货币，这一新发现表明这些较小的货币可以兑换更大面额的货币——比如 100 美元——这可能与生化过程的相互作用与目前已知的机制截然不同，”他说。
此外，许多生物分子成分包括可能类似地形成簇的磷酸基团。因此，这些磷酸盐可以自发组装的发现可能会揭示其他基本生物过程，例如生物矿化——壳和骨骼如何形成，以及蛋白质相互作用。
“我们还测试了一系列磷酸盐，包括那些结合到 ATP 分子中的磷酸盐，它们似乎都表现出相同的现象，我们对这些组件进行了定量分析，”共同主要作者 Jiaqi Lu 说。
这个曾经被忽视的过程在细胞信号传导、新陈代谢和疾病过程(如阿尔茨海默氏病)领域也可能具有重要意义，其中磷酸基团或磷酸化与我们大脑中的蛋白 tau 的连接通常存在于神经原纤维缠结中——神经的标志。在看到并研究了这种组装行为后，该团队现在正在深入挖掘，研究 pH 值对磷酸盐组装、基因翻译和修饰蛋白组装的影响，以及他们在磷酸钙组装方面的原创工作。
“它确实改变了我们对磷酸基团作用的看法，我们通常不认为它是分子组装的驱动因素，”Han 说。
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