中国科学家揭示抗冻蛋白对冰晶成核的分子机制

12月28日，记者从中科院化学所获悉，该所绿色印刷院重点实验室研究员王健君与中科院上海应物所副研究员王春雷、研究员方海平和新疆大学教授马纪合作，揭示了抗冻蛋白的不同面对冰核形成分子层面的机制。这一结果发表在近日出版的《美国科学院院报》（PNAS）上。

抗冻蛋白是生活在寒冷区域的生物经过长期自然选择进化产生的一类用于防止生物体内结冰而导致生物体死亡的功能性蛋白质，具有“冰结合面”（ice-binding face）和“非冰结合面”（non-ice-binding face）两种不同面。自上世纪60年代首次发现抗冻蛋白以来，科学家对抗冻蛋白调控冰晶成核的确切作用和机制一直存在争议——“抗冻蛋白能促进冰核形成”及“可以抑制冰核生成”两种相反的观点同时存在。

上述中国科学家组成的团队根据抗冻蛋白“冰结合面”和“非冰结合面 ”具有的截然不同官能团的特性，将抗冻蛋白定向固定于固体基底，选择性地研究了抗冻蛋白冰结合面与非冰结合面对冰核形成的影响。研究表明，抗冻蛋白的不同面对冰核的形成表现出完全相反的效应：冰结合面促进冰晶成核，而非冰结合面抑制冰晶成核。

他们进一步通过分子动力学模拟研究了抗冻蛋白的“冰结合面”和“非冰结合面”界面水的结构，发现了“冰结合面”上羟基和甲基有序间隔排列使得冰结合面上形成类冰水合层，促进冰核生成；而“非冰结合面”上存在的带电荷侧链及疏水性侧链，使得非冰结合面上的界面水无序，抑制冰核形成。这一结果揭示了抗冻蛋白对冰成核“Janus效应”分子层面的机制

相关专家指出，该研究加深了人们对抗冻蛋白分子层面抗冻机制的理解，同时将对仿生合成防覆冰材料和低温器官保存材料具有指导意义。