中國科學家揭示抗凍蛋白對冰晶成核的分子機制—新聞—科學網

2020-12-05 科學網

 

12月28日，記者從中科院化學所獲悉，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物所副研究員王春雷、研究員方海平和新疆大學教授馬紀合作，揭示了抗凍蛋白的不同面對冰核形成分子層面的機制。這一結果發表在近日出版的《美國科學院院報》（PNAS）上。

抗凍蛋白是生活在寒冷區域的生物經過長期自然選擇進化產生的一類用於防止生物體內結冰而導致生物體死亡的功能性蛋白質，具有「冰結合面」（ice-binding face）和「非冰結合面」（non-ice-binding face）兩種不同面。自上世紀60年代首次發現抗凍蛋白以來，科學家對抗凍蛋白調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「可以抑制冰核生成」兩種相反的觀點同時存在。

上述中國科學家組成的團隊根據抗凍蛋白「冰結合面」和「非冰結合面 」具有的截然不同官能團的特性，將抗凍蛋白定向固定於固體基底，選擇性地研究了抗凍蛋白冰結合面與非冰結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出完全相反的效應：冰結合面促進冰晶成核，而非冰結合面抑制冰晶成核。

他們進一步通過分子動力學模擬研究了抗凍蛋白的「冰結合面」和「非冰結合面」界面水的結構，發現了「冰結合面」上羥基和甲基有序間隔排列使得冰結合面上形成類冰水合層，促進冰核生成；而「非冰結合面」上存在的帶電荷側鏈及疏水性側鏈，使得非冰結合面上的界面水無序，抑制冰核形成。這一結果揭示了抗凍蛋白對冰成核「Janus效應」分子層面的機制

相關專家指出，該研究加深了人們對抗凍蛋白分子層面抗凍機制的理解，同時將對仿生合成防覆冰材料和低溫器官保存材料具有指導意義。

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