（图文|王悦 编辑|辛西 审核|高军）发展超高效率、超低能耗兼备的材料是新一轮科技革命和产业变革重要方向，特别是在人工智能领域。人类大脑具有极高运作效率，然而功率仅为20瓦，即：展现出极高能量利用效率。结构生物学、生物化学研究已取得巨大成就，但我们对大脑的运作机制仍不很清楚，甚至不能理解神经细胞如何实现高效率、低能耗的运作。生物离子通道作为神经信号传递的主要载体，具有高选择性、高通量、超低能耗等特性，在信息传导、能量转换及生物合成等生命活动中至关重要，其功能异常往往与多种疾病的发生紧密相关。因此，揭示离子通道输运机制对深入理解生命的本质及发展新治疗策略具有重大意义。受生物通道的启发，科研人员已成功设计出具有纳米孔结构的人工膜，实现了生物通道水平的高通量、高选择性、超低阻力的离子输运性能。尽管离子通道的结构、高选择性方面研究已取得显著进展并获2003年诺贝尔化学奖，但其高通量、超低能耗的物理机制仍是一个亟待解决的科学问题。
量子生物学作为科学界近百年的梦想和追求，长期以来致力于揭示生物体系的量子相干、量子纠缠等物理特性，有望为理解生命的超低能耗、超高效率提供新思路。量子生物学的核心挑战在于验证生理条件下生物体系是否存在宏观量子效应，即：是否存在量子相干？以往研究已为理解生物量子效应提供了不同视角，例如：福斯特（Förster）的荧光共振能量转移模型（FRET）、彭罗斯（Penrose）的微管振动理论等，但仍然没有生物系统中量子相干存在的可信证据。
近期，华中农大高军教授、上海理工大学宋波教授、中科院理化技术研究所仿生材料与界面科学重点实验室及中国科学技术大学江雷院士等研究团队合作，在《Nature Communications》上发表题为“A physical derivation of high-flux ion transport in biological channel via quantum ion coherence”的研究论文。该研究以KcsA钾离子通道为模型，通过多时间尺度的分子动力学模拟、量子化学计算及德布罗意波分析，表明生物通道限域离子（channel-confined ions）具有量子相干行为（图1）。这一发现不仅揭示了生物通道实现高通量、超低能耗离子输运的物理机制，还为量子生物学领域提供了“生物体系中量子相干及其生物功能”存在的可信证据，为未来研究开辟了新方向。该成果深化了对生物系统中离子输运超低能耗现象的理解和认识，并有望推动离子通道相关疾病治疗策略的发展、超低能耗材料/器件的设计开发以及新一代人工智能的发展。
图1. KcsA通道输运动力学中的离子相干现象
此研究深入探讨了KcsA通道的输运动力学特性。基于跨膜电压存在下的离子分布情况，扩展了离子选择性filter区域，即：引入了一个新的区域Filter+（图1a）。当跨膜电压为0 mV时，filter区域离子分布显示有四个离子占据位点（S1-S4），与已有实验及模拟结果完全相符。然而，当跨膜电压升至100 mV时，位点S4显著位移至KcsA空腔（cavity）区域，而其余三个位点的变化较小。因此，引入的Filter+ 区域在跨膜电压驱动离子输运过程中起关键作用。
Filter+ 区域内受限离子坐标轨迹的皮秒级精细分析显示，KcsA输运过程中存在离子相干现象。如图1b所示，各离子轨迹的振荡峰值与谷值位置高度一致，表示它们以相同频率、相同相位进行振荡，即：相干振荡。
为精确量化KcsA输运过程中的离子相干现象，研究人员引入了相干度αF+。计算结果显示通道中输运离子存在两种相干态，并且在纳秒和微秒级轨迹中均未观察到αF+趋近于0的情况（图1c、图2），表明在所有K+输运事件中都不能忽略离子相干。
图2. 跨膜电压为100 mV 时的输运离子相干态分析
为更全面地理解KcsA蛋白对通道离子输运能力的影响，研究人员引入了一个与跨膜电压、离子通量无关的序参量来描述KcsA蛋白的固有离子相干性。结果显示，随着蛋白相干序参量的增加，通道的电导显著增加（图3）。因此，离子相干性可以有效提高KcsA电导，从而降低离子输运的能量消耗。
图3. 离子相干性对KcsA通道电导的影响
为深入阐明相干性提高离子通道电导的微观机制，研究人员聚焦于通道中离子相干性对离子无序运动引起的输运无效事件的影响。输运无效事件具体表现为KcsA filter捕获的K+离子返回KcsA空腔区域。研究结果表明，随着离子相干度的增强，这些无效事件被有效抑制（图3e）。输运无效事件的减少，意味着单位时间内成功穿越通道的离子数增加，从而提高了通道的电导性能。
为探索KcsA相干输运的量子力学有效性，研究人员分析了通道限域空间内离子的德布罗意波长。根据分子动力学模拟结果，德布罗意波长估计为~5 Å，与基于K+离子通道一维晶格模型理论上预测的量子态波长一致。这个尺度与KcsA filter中三个连续位点的尺寸（~9 Å）处于同一数量级，明显大于310 K温度下自由离子的德布罗意波长（<0.5 Å）。因此，量子力学允许在KcsA通道中发生离子相干，即：通道中离子可以量子相干体的形式进行整体移动。
图4总结了KcsA通道中离子的相干输运过程。纳秒级输运事件的初始状态为：三个限域K+离子（K1、K2、K3）在KcsA filter区域内相干振荡，而另一个K+离子（K4）则在KcsA空腔区域内自由运动。相干离子输运过程分为三个阶段。1）离子K4进入KcsA filter区域，并与K1、K2、K3离子一起相干振荡。2）filter区域中四个受限离子维持集体相干振荡约103皮秒；期间这些离子完成一次相干转移，是输运不可逆性的关键。3）最后，离子K1离开Filter+ 区域进入细胞外区域，并实现了与相干离子K2、K3、K4的退相干，即：完成了一次KcsA通道的相干离子输运。
图4. 离子相干输运模型总结
此研究详细探讨了生物离子通道实现高通量、超低能耗离子输运的物理机制。以KcsA钾离子通道为例，通过多尺度分子动力学模拟，揭示了生理条件下通道内K+离子的相干态和高通量输运之间的内在关联。研究表明，通道内K+离子的相干振荡态主导了每个输运事件，是实现高达每秒108个离子通量的物理基础。相干离子转移过程快速且几乎不干扰离子相干性，是输运方向性的基础。离子相干性的增强可显著提升通道离子电导和输运效率。德布罗意波分析表明，这种相干行为是量子力学允许的。此研究不仅增进了对生物系统中能量高效离子输运的物理机制理解，并有望对开发新治疗策略、设计生物启发的新材料/新器件产生深远影响。随着对离子通道输运机制的深入了解，未来或有望设计出更超高效率、超低能耗的人工离子通道，为生物医学、材料科学、信息科学和人工智能等领域带来革命性进展。
华中农大王悦博士和胡一枭硕士为论文共同第一作者，华中农大高军教授和上海理工大学宋波教授为论文共同通讯作者。