近日，中国科学技术大学张国庆教授、罗毅教授、高永翔博士和宁波大学赵文辉教授等研究者，报道了用有机磷光探针和磷光光谱探究水冰中氨基酸纳米聚集体的工作，并于12月3日以“Confirmation-dependent organic phosphor reveals amino acid nanoaggregates in ice with insight for prebiotic chemistry”为题发表于Nature Communications（DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65885-8）。

对冰中氨基酸等小分子的研究是理解前生命化学的基础。冰基质不仅能保护有机物，还可能促进其在星际或早期地球环境中聚合成肽与蛋白质。当前研究的核心局限在于，尚缺乏氨基酸在冰中发生聚集的直接实验证据。尽管“冰冻富集”假说认为结冰过程能将有机物排挤并浓缩于冰晶间隙，且热力学计算支持低温冰环境有利于氨基酸反应，但对于氨基酸这类小分子是否真能在此条件下发生相分离并形成聚集体，此前始终未有确凿的观测结果予以证实。

图1：冰基质中多肽形成机制（上）和磷光检测氨基酸聚集体示意图（下）

作者们设计并合成了一种构象敏感型有机磷光探针——2-苯基苯并噻唑碘化物（SNI）。利用该探针，研究直接证实，即使在亚毫摩尔浓度下，氨基酸在水冰中也能形成纳米聚集体。实验中观测到由不同氨基酸触发的特异性磷光信号，其机理在于：氨基酸聚集后形成的疏水微环境会物理吸附SNI分子，诱导其采取特定的基态构象，从而产生具有构象依赖性的磷光发射。这一发现将光谱信号与微观聚集结构直接关联。

图2：SNI在不同氨基酸系统中的磷光光谱与寿命

本研究使用的探针SNI，对不同种类的氨基酸展现出不同的发光响应。实验发现，加入亮氨酸、苯丙氨酸、组氨酸、谷氨酸和谷氨酰胺等不同氨基酸后，SNI的荧光和磷光光谱在峰位及寿命上均发生显著且可区分的改变。例如，亮氨酸使其磷光变为黄色，而谷氨酸则使其磷光变为绿色。

在进一步验证中，分子动力学模拟与冷冻透射电镜实验，直接证实了不同氨基酸在冰基质中会形成形貌各异的纳米聚集体。模拟显示，亮氨酸形成致密疏水簇，异亮氨酸聚集更无序，而谷氨酸则形成亲水扩展结构。相应的冷冻电镜图像观测到了与模拟预测一致的纳米聚集体（尺寸约3-20纳米），且聚集体形貌和数量因氨基酸种类而异。

总结来说，本工作通过磷光光谱、冷冻电镜与分子动力学模拟，直接观测到亮氨酸、异亮氨酸和谷氨酸在冰冻后形成均一的纳米结构。这些聚集体与构象敏感探针SNI产生吸附作用，后者因聚集体的差异呈现不同的磷光信号。研究发现，冰冻条件下氨基酸发生质子转移，疏水性增强从而驱动聚集。这一过程提高了氨基酸在冰中的局部浓度与稳定性，为肽链形成等前生命聚合创造了有利微环境。SNI的构象依赖性磷光为探测冰基质内分子相互作用提供了光谱工具，本研究揭示了冰作为前生命分子演化媒介的关键作用。

张国庆、罗毅、高永翔和赵文辉为论文通讯作者；中国科学技术大学博士生刘洪平为论文第一作者。该工作得到了量子科学与技术创新计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的支持。