【科技前沿】Adv Sci | 电子科大宫玉彬团队提出离子靶向新机制：太赫兹波直接共振钙通道内离子，实现通透增强

2026-04-13 17:57

北京

本篇报道来源于中国生物物理学会

太赫兹生物物理分会副会长宫玉彬教授团队

太赫兹生物物理分会委员孙远昆副研究员投稿。

现有的太赫兹波调控离子通道的研究，大多聚焦于波与通道内化学基团（如羧基、羰基）的相互作用。然而，对于通道选择过滤器中渗透离子本身的动力学过程，以及其与外部太赫兹波的关系，我们却知之甚少。

2026年2月19日，电子科技大学宫玉彬团队在Advanced Science在线发表题为“Enhancement of Calcium Ion Permeation via Resonant Coupling of Ion and Terahertz Waves in Voltage Gated Calcium Channels”的研究论文，系统探讨了这一问题。他们发现细胞电压门控钙通道选择过滤器中两个钙离子存在一种频率为1.65 THz的同相本征振荡模式。施加外部谐振太赫兹波，可实现离子本征振荡模式与波的高效耦合，显著促进了钙离子的跨膜输运。此外，研究揭示了通道中离子运动的离散量子态特征。这些发现深化了离子跨膜输运物理机制的理解，为新一代无创生物电磁调控技术奠定了理论基础。

研究背景：

电压门控钙通道是细胞膜上极为重要的跨膜蛋白，承担着将胞外Ca²⁺导入细胞内的关键任务。Ca²⁺是肌肉收缩、神经递质释放、基因表达等过程中的核心第二信使，与多种通道病密切相关，如心律失常、癫痫、慢性疼痛和共济失调等。随着对钙通道研究的深入，科学家们指出选择过滤器中由四个羧基组成的EEEE位点构成了高亲和力Ca²⁺结合环境，是决定离子选择性与通透性的核心结构区域。而近年来基于太赫兹波的钙通道调控研究，也全部聚焦于波与羧基的相互作用上，其物理原理是通过共振将太赫兹波的能量高效传递给羧基，进而为离子输运提速。但是选择过滤器中的离子并非完全独立、随机地运动；在狭窄受限的孔道环境中，离子之间会在静电作用下形成明显的集体行为，例如双离子占据、三离子敲击等，这些协同过程被认为是实现“高选择—高通量”输运的关键基础。这一生物物理实际就引出了一个重要的科学问题：通道内真正发生迁移的离子本身，是否也存在可被外部太赫兹波直接调控的本征动力学模式？

研究发现：

（1）发现离子本征振荡模式

围绕这一目标，我们选取原核细胞钙通道CavAb作为等效模型体系，首先基于通道晶体结构参数，结合谷氨酸羧基电荷与介电极化效应，构建了选择过滤器区域的静电势能景观，并通过全原子分子动力学结果验证了该局部结构环境的稳定性。在此基础上，我们将两个受限Ca²⁺视为在双势阱中运动的耦合粒子，采用Langevin动力学描述其轴向受力、阻尼与热噪声，从而模拟其在310 K温度条件下的时域振荡行为。频域分析表明，这对双离子体系存在两种主要本征模式频率：1.65 THz和2.84 THz。进一步通过速度相干分析与辐射相干增强因子的构造，我们证明1.65 THz对应双离子同相振荡模式，2.84 THz对应反相模式。这意味着，选择过滤器内的离子并不是简单热涨落粒子，而是具有明确集体模态结构的耦合动力学系统。

图1. 原核细胞钙通道纵截面的 (a) 二维和 (b) 一维电势分布图。图中灰色区域标注出了选择过滤器的范围，插图为该通道的晶体结构模型，z轴方向从胞内（-z）指向胞外（+z）。

（2）共振太赫兹波降低势垒，提升离子通透

在此基础上，我们将外部太赫兹波引入模拟体系。当太赫兹波频率调谐到1.65 THz时，双离子质心振荡幅度显著增强，而在10.0 THz非共振条件下则看不到类似响应。与动力学行为一致，势能分析显示，共振太赫兹波可显著降低结合位点间的势垒：在0.3 V/nm条件下，势垒降至约0.3 eV，而无场和非共振条件下分别约为0.63 eV和0.67 eV。这说明共振太赫兹波并不是简单“加热”体系，而是通过频率匹配选择性驱动了双离子的集体模态，从而促进离子在位点间跃迁。在宏观输运层面，通过构建恒定跨膜电压下的60ns多离子渗透模型，研究发现：共振太赫兹波作用下，平均渗透事件提高到3.20次，对应平均离子电流由约2.13 pA提升至约17.07 pA，且泊松率精确检验给出显著性结果（p = 0.0013）。相较之下，同等场强下10 THz非共振场并未表现出统计学显著差异。这一结果从统计意义上支持了“太赫兹共振—离子集体振荡增强—势垒降低—通透提升”的完整链条。

图2. 在无外场（黑色）、1.65 THz共振场（蓝色）和10.0 THz非共振场（红色）作用下，(a) 离子对质心的轴向轨迹对比。(b) 沿通道轴向的一维势能曲线（PMF）。(c) 在60 ns模拟时长内钙离子渗透事件统计。误差线表示95% bootstrap置信区间，显著性水平由泊松率精确检验确定。

（3）量子视角：受限双离子的离散量子态行为

更进一步，我们还从量子角度解释这种受限双离子运动。统计平衡态轨迹得到双离子的联合概率分布与二维平均势能面，并据此建立耦合量子谐振子模型，求解得到量子本征态和跃迁频率。结果显示，基态到前两个激发态的跃迁频率分别约为1.61 THz和2.60 THz，与经典动力学中观测到的1.65 THz和2.84 THz主模态相互呼应；对应波函数分布也分别呈现出同相与反相特征。这表明，通道内双离子的集体运动不仅可以用经典动力学描述，也可在一定意义上理解为受限环境中的离散量子态行为。

图3. (a-d) 双离子体系基态（E0）及前三个激发态（E1-E3）的概率密度分布。 (e-h) 理想二维耦合量子谐振子（CQHO）模型对应态的概率密度分布。这些态由其对称量子数（ns）和反对称量子数（na）标识。主对角线上的概率密度代表同相模式，反对角线上的概率密度代表反相模式。

该研究为基于太赫兹波的离子通道调控提供了离子靶向的新方法，从物理机制上跳出了以往仅关注通道功能团的局限。它不仅在经典物理层面阐释了共振增强离子通透的动力学过程，更从量子视角揭示了受限量子体系的离散态行为，为理解离子通道的高通量通透机制补充了量子相干的新视角，这一发现为未来非侵入、高精度的生物电磁调控技术奠定了重要理论基础。