加州大學圣巴巴拉分校和紐約大學(NYU)的研究人員在對鈣磷酸鹽簇的組裝機制進行直接調查時，有了一個驚人的發現:水中的磷酸鹽離子有一種奇怪的習慣，可以在常見的水合狀態和以前未報道過的神秘“黑暗”狀態之間自發交替。他們說，這種最近發現的行為對理解磷酸鹽在生物催化、細胞能量平衡和生物材料形成中的作用具有意義。他們的發現發表在美國國家科學院院刊。

“磷酸鹽無處不在，”UCSB化學教授Songi Han說，他是《美國國家科學院院刊》一篇論文的作者之一。離子由一個磷原子和四個氧原子包圍而成。“它存在于我們的血液和血清中，”Han繼續說道。“它存在于每個生物學家的緩沖中，存在于我們的DNA和RNA上。”它也是我們骨骼和細胞膜的結構組成部分。

當與鈣結合時，磷酸鹽在細胞和骨骼中形成礦物質沉積物的過程中形成小的分子簇。這就是Han和UCSB的合作者Matthew Helgeson和紐約大學的Alexej Jerschow準備研究和描述的內容，希望揭示UCSB物理學教授Matthew Fisher提出的對稱磷酸鹽簇中的量子行為。但首先，研究人員必須建立對照實驗，其中包括通過核磁共振(NMR)波譜學和低溫透射電子顯微鏡掃描缺乏鈣的磷酸鹽離子。

但是，由于UCSB和紐約大學的學生正在收集參考數據，其中涉及不同濃度和溫度下水溶液中自然存在的同位素磷31，他們的結果與預期不符。例如，Han說，這條線代表了光譜核磁共振掃描期間的P³¹應該隨著溫度的升高而變窄。

“原因是，溫度越高，分子翻滾得越快，”她解釋說。通常，這種快速的分子運動會平均掉各向異性的相互作用，或者依賴于這些小分子的相對方向的相互作用。結果將是核磁共振儀器測量的共振變窄。

她說:“我們期待的是磷核磁共振信號，這是一個簡單的信號，峰值隨著溫度的升高而縮小。然而，令人驚訝的是，我們測量的光譜正在變寬，與我們預期的完全相反。”

這一違反直覺的結果使研究小組走上了一條新的道路，他們進行了一次又一次的實驗，以確定其分子水平的原因。在排除了一個又一個假設之后，結論是什么?磷酸鹽離子在廣泛的生物條件下形成了簇，這些簇逃避了直接的光譜檢測，這可能是它們以前沒有被觀察到的原因。此外，測量結果表明，這些離子在可見的“自由”狀態和黑暗的“組合”狀態之間交替，因此信號變寬，而不是一個尖銳的峰值。

此外，根據聯合主要作者Mesopotamia Nowotarski的說法，隨著溫度的升高，這些組裝態的數量也在增加，這是另一種依賴于溫度的行為。

她說:“從這些實驗中得出的結論是，磷酸鹽正在脫水，這使得它們能夠靠得更近。”在較低的溫度下，溶液中的絕大多數磷酸鹽附著在水分子上，水分子在它們周圍形成一層保護性的水外套。當考慮磷酸鹽在生物系統中的行為時，通常會假設這種水化狀態。但在更高的溫度下，Nowotarski解釋說，它們會脫落水盾，使它們能夠相互粘在一起。這一概念被探測磷酸鹽水殼的核磁共振實驗證實，并通過分析低溫透射電鏡圖像進一步驗證，以確定簇的存在，以及共同主要作者Joshua Straub對磷酸鹽組裝的能量學建模。

根據研究人員的說法，這些動態磷酸鹽組合和水合殼對生物學和生物化學具有重要的意義。化學工程師Matthew Helgeson說，磷酸鹽是一種普遍理解的“貨幣”，在生物系統中通過轉化為三磷酸腺苷(ATP)和二磷酸腺苷(ADP)來儲存和消耗能量。他說:“如果水合磷酸鹽、ADP和ATP代表小額‘紙幣’，這一新發現表明，這些小額貨幣可以兌換大得多的面額——比如100美元——這可能與生物化學過程的相互作用與目前已知的機制非常不同。”

此外，許多生物分子成分包括磷酸基，它們可能類似地形成簇。因此，這些磷酸鹽可以自發組裝的發現可能會為其他基本的生物過程提供一些線索，比如生物礦化——貝殼和骨骼是如何形成的，以及蛋白質的相互作用。

“我們還測試了一系列磷酸鹽，包括那些被納入ATP分子的磷酸鹽，它們都表現出相同的現象，我們實現了對這些組合的定量分析，”聯合主要作者Jiaqi Lu說。

這個曾經被忽視的過程在細胞信號、代謝和疾病過程中也可能很重要，比如阿爾茨海默病，在我們大腦中，一個磷酸基或磷酸化附著在tau蛋白上，通常存在于神經纖維纏結中——這是神經退行性疾病的標志。在觀察和研究了這種組裝行為后，該團隊現在正在深入挖掘，研究了pH值對磷酸鹽組裝、遺傳翻譯和修飾蛋白組裝的影響，以及他們在磷酸鈣組裝方面的原始工作。

“這真的改變了我們對磷酸基作用的看法，我們通常不認為磷酸基是分子組裝的驅動因素，”Han說。

本文的作者也包括加州大學圣巴巴拉分校的Tanvi Sheth和Sally Jiao。