惰性氣體本來是化學(xué)概念，后來被潛水醫(yī)學(xué)借來研究減壓病的發(fā)病機理，惰性氣體是指不會在生物體內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體，這些氣體雖然不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，仍然可以產(chǎn)生生物學(xué)作用，尤其突出的是能在一定劑量下產(chǎn)生麻醉作用，這些氣體產(chǎn)生麻醉作用的機制目前仍然不清楚，最新來自中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所的團隊證明惰性氣體能以納米氣泡的方式對蛋白功能產(chǎn)生影響，這可能是惰性氣體麻醉的一個解釋。

       上海應(yīng)用物理研究所方海平、呂軍鴻、邰仁忠、張立娟等聯(lián)合中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李國輝課題組通過蛋白活性測量，X射線熒光吸收和成像，納米粒徑分析和理論模擬等手段，結(jié)合實驗和模擬首次從分子水平上研究了生理惰性氣體在蛋白溶液中的聚集行為及其對蛋白活性的影響。該論文發(fā)表在Scientific reports, 2017,7, 10176.

      早在100多年前，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Kr, Xe，N2等生理惰性氣體具有麻醉效應(yīng)。在分子層面，早前研究發(fā)現(xiàn)Xe可以抑制NMDA亞型谷氨酸受體實現(xiàn)保護神經(jīng)的作用。另外，人們還發(fā)現(xiàn)這些生理惰性氣體可以與一些生物分子或者離子通道結(jié)合發(fā)揮生理功能，進而影響一系列重要的生命過程。從化學(xué)角度來看，Kr, Xe，N2等生理惰性氣體幾乎不參與生命體中的任何化學(xué)反應(yīng)，僅僅通過非常微弱的范德華作用進行物理吸附，所以很難想象它們會有生物效應(yīng)。顯然，需要從全新的思路出發(fā)，來解釋這些懸而未解的惰性氣體的生物效應(yīng)。

      該研究團隊通過理論和實驗相結(jié)合說明，能夠產(chǎn)生這些生理效應(yīng)的關(guān)鍵是納米氣泡的存在。惰性氣體通過聚集成納米氣泡，大幅度增加了與生物分子的疏水功能位點的吸附作用，導(dǎo)致疏水功能位點被納米氣泡覆蓋，失去與配體的作用機會。他們選取三種生理惰性氣體Kr, Xe，N2和胃蛋白酶做為研究對象來說明這個問題?；钚詫嶒灠l(fā)現(xiàn)，通入生理惰性氣體Xe、Kr、N2大大抑制了胃蛋白酶的活性；而最重要的是，脫氣后，活性幾乎全部恢復(fù)，說明這個抑制主要是物理過程。借助于上海光源硬X射線熒光微聚焦線站的熒光吸收和成像，研究人員測量了胃蛋白酶溶液在充氣和脫氣后溶液中Xe和Kr的熒光吸收強度和二維成像，證明了蛋白溶液存在遠高于溶液本身溶解度的氣體濃度，并進一步通過粒徑分析發(fā)現(xiàn)體系內(nèi)存在大量不同粒徑分布的“納米粒子”。分子動力學(xué)模擬結(jié)果給出Xe、Ke和N2氣體分子都能以氣泡形態(tài)特異性地吸附于蛋白的疏水位點上，并且和蛋白的結(jié)合強度次序與其對蛋白功能的影響強弱次序相同。此前，方海平等人通過分子動力學(xué)模擬指出惰性氣體分子可能以納米氣泡形式通過疏水作用覆蓋蛋白活性位點，并對蛋白質(zhì)功能造成影響(Scr. Rep. 3, 1660(2013)。該工作從實驗上進一步證明了惰性氣體的生理學(xué)作用，即通過納米聚集和分散，可以導(dǎo)致蛋白活性的抑制和恢復(fù)。

 該發(fā)現(xiàn)對“惰性氣體具有麻醉效應(yīng)”這個世紀之謎提供了新的基本理解，對氣體、包括非惰性氣體的物理效應(yīng)、對生命系統(tǒng)的效應(yīng)提供了新思路。

      該工作得到973，863項目、國家自然基金、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究計劃和院重點項目的資助。也感謝上海光源熒光微聚焦線站和軟X射線譜學(xué)顯微線站線提供的機時和線站人員的協(xié)助。

對這個研究我有一個疑惑，如果是納米氣泡產(chǎn)生麻醉作用，那么氣體麻醉作用就只和產(chǎn)生納米氣泡的能力有關(guān)，據(jù)我所知氣體在納米氣泡產(chǎn)生的潛力并沒有非常大的區(qū)別，但是惰性氣體麻醉的強度是存在非常大的區(qū)別的，例如氙氣的麻醉作用非常強，但氮氣就很弱，但兩種氣體產(chǎn)生納米氣泡的情況可能沒有那么大區(qū)別。