最近，中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所宋波、高興宇、方海平研究員與中國石油大學(xué)黃方教授等通過多方合作，采用量子計(jì)算、經(jīng)典分子動力學(xué)模擬與同步輻射能譜和X射線光電子譜(XPS)、圓二色譜(CD)、核磁共振譜(NMR)等譜學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了鋁對蛋白結(jié)構(gòu)的影響，提出了一種鋁對人體生物毒性的新分子機(jī)制。相關(guān)研究結(jié)果作為首頁插圖發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》[Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 6358 – 6363]。

　　鋁在日常生活中曾經(jīng)得到廣泛應(yīng)用：鋁鍋、鋁壺等餐具，油條、饅頭、面條、膨化食品等等中含鋁的食品添加劑[例如，明礬(硫酸鋁鉀)]。到90年代，人們確認(rèn)了鋁對人體有害，長期攝入，可能導(dǎo)致老年癡呆等神經(jīng)系統(tǒng)的疾病，甚至影響兒童的生長、發(fā)育和智力。因此，不僅含鋁餐具被限制使用，近期，在饅頭、發(fā)糕等面制品中也不再允許使用含鋁的食品添加劑。盡管如此，鋁如何與蛋白作用，導(dǎo)致生物毒性的分子機(jī)理依然不清楚。這嚴(yán)重阻礙了相關(guān)疾病的預(yù)防和治療。

　　宋波等根據(jù)鋁具有的離子鍵和共價(jià)鍵共存化學(xué)特性，提出：鋁離子能同時與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)的蛋白的骨架上的氮原子、氧原子同時形成化學(xué)鍵，導(dǎo)致環(huán)狀結(jié)構(gòu)(如圖)，進(jìn)而破壞蛋白的二級結(jié)構(gòu)，使蛋白產(chǎn)生不可逆的變性和積聚。他們用PGK蛋白為例子，通過同步輻射能譜和XPS、CD、NMR等實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)：1）CD實(shí)驗(yàn)顯示，鋁離子可以使PGK蛋白產(chǎn)生不可逆變性、積聚；2）同步輻射能譜和XPS實(shí)驗(yàn)表明，蛋白積聚物上的鋁離子被顯著還原，與理論計(jì)算得到的鋁離子性質(zhì)相一致；3）NMR實(shí)驗(yàn)顯示，積聚物的蛋白骨架上存在氮原子與鋁離子的共價(jià)鍵。 

　　由于分子機(jī)制的缺乏，長期以來金屬離子如何誘導(dǎo)蛋白積聚的研究進(jìn)展緩慢。2011年，英國Keele大學(xué)Chris Exley教授在Nature評論中認(rèn)為，如同“皇帝的新衣”一樣，鋁離子在近期的阿爾茨海默綜合癥研究中被忽視，嚴(yán)重阻礙了該領(lǐng)域的發(fā)展。鋁離子與蛋白結(jié)合、在蛋白骨架上誘導(dǎo)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，作為一種新的作用形式，為理解金屬離子與生物分子的作用機(jī)理提供了新視角，也對揭示大腦相關(guān)疾病的分子機(jī)制有重要意義。此研究成果有望在相關(guān)疾病的預(yù)防、藥物設(shè)計(jì)以及生物納米技術(shù)、環(huán)境治理等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 

　　該項(xiàng)研究工作由中科院上海應(yīng)用物理研究所、中國石油大學(xué)、新加坡材料與工程研究所、新加坡大學(xué)、北京大學(xué)、中科院青島生物能源與過程研究所和美國IBM Thomas J. Watson 研究中心的研究人員合作完成，得到了中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委、國家科技部、中國科學(xué)院超級計(jì)算中心和上海超級計(jì)算中心的共同資助。 

　　A) 含鋁的食品添加劑已經(jīng)被禁止使用。B) 鋁制餐具已經(jīng)被限制使用。C)鋁離子結(jié)合在蛋白骨架上形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)及其對蛋白二級結(jié)構(gòu)的破壞。左下：正常的蛋白結(jié)構(gòu)；右上：鋁離子結(jié)合在蛋白骨架上形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)；左上：該骨架環(huán)狀結(jié)構(gòu)對蛋白結(jié)構(gòu)的破壞。