细胞实际上是一个脂质膜包裹着的水溶液，其中存在着 DNA、RNA、蛋白质等生物分子，这些生物分子与水分子之间存在着大量复杂的相互作用，从而影响着它们的稳定性和功能。
RNA 作为中心法则中承上启下的角色，主要存在于细胞质中，与水分子产生了复杂的动态相互作用，这些作用如何影响其结构和功能，目前还知之甚少。
2025年3月11日，国际顶尖学术期刊 Nature 以加速上线形式发表了来自中国科学技术大学张凯铭、斯坦福大学 Rhiju Das、Wah Chiu 团队的题为：Complex water networks visualized by cryogenic electron microscopy of RNA 的研究论文。
该研究展示了一种通过冷冻电镜图密度、统计和化学指标以及分子动力学模拟来揭示围绕生物分子（RNA）的刚性水和柔性水的方法，揭示了 RNA 结构中的复杂水网络，拓展了冷冻电镜在捕捉动态水网络方面的潜力。这些发现不仅增进了对 RNA 结构稳定性和功能的理解，也标志着 RNA 结构生物学研究进入新阶段，还为未来研究生物分子水合作用提供了新的方法学参考。
1982 年，Thomas Cech 在四膜虫中发现了一种没有蛋白质参与的具备酶催化活性的 RNA——核酶（Ribozyme），他也因这一发现获得了 1989 年诺贝尔化学奖。
在这项最新研究中，研究团队通过冷冻电镜（cryo-EM）对高度水合分子——四膜虫核酶上的水进行了研究，其分辨率分别为 2.2埃 和 2.3 埃。
研究团队通过采用结合可分辨性和化学参数的分割引导的水和离子建模（SWIM）方法，自动对核酶的核心中的水分子和镁离子（Mg2+）进行了建模和交叉验证，从而发现了 RNA 周围的复杂水网络。
刚性结合水：在 RNA 核心区域（如P4-P6结构域）观察到高度有序的水分子，介导 RNA 非经典相互作用（如碱基间氢键桥接），验证了 X 射线晶体学中已知的水位点，并发现多个新的水位点。
动态柔性水：在非共识区域，冷冻电镜密度与分子动力学模拟的扩散水网络高度吻合，表明这些区域存在高流动性的柔性水分子，传统原子模型难以捕捉。
该研究首次系统揭示了 RNA 内部水网络的复杂性与动态性，为理解 RNA 折叠、催化及溶剂效应提供了原子级视角。表明了水分子不仅仅是RNA折叠的溶剂，还在 RNA 的结构稳定性、催化活性和功能调控中发挥重要作用，特别是 RNA 核心区域的复杂水网络，可能是 RNA 能够在生理条件下稳定并高效催化的关键。
该研究还提供了一种新的 RNA 结构研究思路，结合冷冻电镜、分子动力学模拟和自动化水分子建模，为 RNA 的功能研究开辟了新的方向。这一突破也可能对 RNA 药物设计、RNA 生物传感器等领域产生深远影响。
此外，该研究还证明了冷冻电镜不仅能解析刚性水，还能通过密度特征反映动态水网络，推动了冷冻电镜在动态溶剂化研究中的应用边界，为理解“水-生物分子”相互作用提供了新范式。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08855-w
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