《美國科學(xué)院院報》科學(xué)家揭示抗凍蛋白對冰晶

為您介紹《美國科學(xué)院院報》科學(xué)家揭示抗凍蛋白對冰晶成核的分子機制。12月28日，記者從中科院化學(xué)所獲悉，該所綠色印刷院重點實驗室研究員王健君與中科院上海應(yīng)物所副研究員王春雷、研究員方海平和新疆大學(xué)教授馬紀(jì)合作，揭示了抗凍蛋白的不同面對冰核形成分子層面的機制。這一結(jié)果發(fā)表在近日出版的《美國科學(xué)院院報》（PNAS）上。

什么是抗凍蛋白

抗凍蛋白是生活在寒冷區(qū)域的生物經(jīng)過長期自然選擇進化產(chǎn)生的一類用于避免生物體內(nèi)結(jié)冰而導(dǎo)致生物體死亡的功能性蛋白質(zhì)，具有“冰聯(lián)合面”（ice-binding face）和“非冰聯(lián)合面”（non-ice-binding face）兩種不同面。自上世紀(jì)60年代首次發(fā)現(xiàn)抗凍蛋白以來，科學(xué)家對抗凍蛋白調(diào)控冰晶成核的確切作用和機制一直存在爭議——“抗凍蛋白能促進冰核形成”及“能夠克制冰核生成”兩種相反的觀點同時存在。

上述中國除草安全劑科學(xué)家組成的團隊根據(jù)抗凍蛋白“冰聯(lián)合面”和“非冰聯(lián)合面”具有的截然不同官能團的特性，將抗凍蛋白定向固定于固體基底，選擇性地研究了抗凍蛋白冰聯(lián)合面與非冰聯(lián)合面對冰核形成的影響。研究表明，抗凍蛋白的不同面對冰核的形成表現(xiàn)出完全相反的效應(yīng)：冰聯(lián)合面促進冰晶成核，而非冰聯(lián)合面克制冰晶成核。

抗凍蛋白對冰晶成核分子機制研究

他們進一步通過分子動力學(xué)模仿研究了抗凍蛋白的“冰聯(lián)合面”和“非冰聯(lián)合面”界面水的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了“冰聯(lián)合面”上羥基和甲基有序距離排列使得冰聯(lián)合面上形成類冰水合層，促進冰核生成；而“非冰聯(lián)合面”上存在的帶電荷側(cè)鏈及疏水性側(cè)鏈，使得非冰聯(lián)合面上的界面水無序，克制冰核形成。這一結(jié)果揭示了抗凍蛋白對冰成核“Janus效應(yīng)”分子層面的機制。

相關(guān)專家指出，該研究加深了人們對抗凍蛋白分子層面抗凍機制的了解，同時將對仿生合成防覆冰材料和低溫器官保留材料具有領(lǐng)導(dǎo)意義。