ChemPhotoChem：利用振动强耦合调控ATP的水解速率

物质和光的振动强耦合（VSC）是自然界中发生的基本过程之一，分子振动和谐振腔光子之间的能量交换形成光-物质混合态或极化状态。VSC驱动反应物的特定振动模式与空腔光子模式的能量相干交换，产生新的吸收带，从而达到增强或抑制分子中目标官能团的反应能力。通过这种方式，VSC可以用来减慢或加快反应，甚至改变反应的产率。然而，利用VSC控制生命反应的研究还鲜有报道。

三磷酸腺苷（ATP）作为生命的能量货币，其能量必须经过水解反应进行释放，因此其水解速率决定了很多重要的生命活动与疾病。最近发表在ChemPhotoChem杂志上的一篇题为“Modification of ATP hydrolysis by Strong Coupling with O-H Stretching Vibration”的研究论文开发了一种新型的控制ATP水解反应的方法。即：通过将ATP水解反应液注入法布里－珀罗（Fabry-Pérot，FP）光学微腔，将ATP的水解速率提高了近一个数量级。

图-1. 法布里－珀罗腔中ATP水解反应示意图。

在该项研究中，作者首先利用两个相互平行的镀金镜面构建了密封的FP微腔。然后，借助红外光谱仪将FP微腔的腔模式与O-H键的拉伸振动达到不同的耦合强度，进而对比ATP水解速率的变化。作者利用高相液相色谱（HPLC）成功的分离了ATP水解反应的反应物和产物：ATP、ADP和AMP，从而准确地计算出不同耦合强度下的水解速率。将在不同耦合强度下的水解速率与O-H振动光谱进行叠加后，发现了ATP水解速率与VSC之间具有显著的相关性。这项研究结果充分说明了：VSC可通过改变分子的振动能级来调控生命反应。由于水被誉为生命之源，因此通过控制水的O-H可能控制许多生命中的重要反应，这项研究开启了VSC调控生命活动的新思路。

图-2. ATP水解反应的HPLC分离检测（A）及其与O-H共振耦合强度的相关性展示（B）。

论文信息

Modification of ATP hydrolysis by Strong Coupling with O−H Stretching Vibration

Feng Gao, Dr. Jun Guo, Qiankang Si, Prof. Liping Wang, Prof. Feng Zhang, Prof. Fan Yang

这项研究工作是由内蒙古农业大学杨帆教授、上海理工大学张峰教授、国科温州研究院王莉萍研究员共同合作的阶段性成果，论文的第一作者高峰是内蒙古农业大学与国科温州研究院联合培养的硕士研究生。

ChemPhotoChem

DOI: 10.1002/cptc.202200330