科學家揭示抗凍蛋白對冰晶成核的分子機制

　　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于防止生物體內結冰而導致生物體死亡的功能性蛋白質。對于抗凍蛋白抗凍機制的研究有助于揭開冰晶成核、生長和冰晶形貌調控的分子層面的機理。因而，自上世紀60年代首次發現抗凍蛋白以來，科研人員對這類蛋白的抗凍機制進行了近半個世紀的研究。但是，科研人員對抗凍蛋白調控冰晶成核的機制一直有爭議，即有些科研人員認為抗凍蛋白能促進冰核的形成，而另一些科研人員認為抗凍蛋白可以抑制冰核的生成。

　　在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的大力支持下，中科院化學研究所研究員王健君課題組與中科院上海應用物理研究所副研究員王春雷、研究員方海平和新疆大學教授馬紀合作，根據抗凍蛋白的冰結合面 (ice-binding face)和非冰結合面 (non-ice-binding face)具有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（圖1）。

　　他們通過分子動力學模擬進一步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，從而促進冰核生成；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，從而抑制冰核形成。揭示了抗凍蛋白對冰成核“Janus”效應分子層面的機制。

　　該研究大大加深了人們對抗凍蛋白分子層面防凍機制的理解，同時對仿生合成防覆冰材料和低溫器官保存材料有著重要的指導意義。相關結果發表在《美國科學院院刊》（PNAS, 2016, doi: 10.1073/pnas.1614379114）上。

圖1：通過定向固定抗凍蛋白，發現抗凍蛋白的冰結合面和非冰結合面對冰核形成的“Janus”效應。

圖2：分子動力學模擬揭示了抗凍蛋白的冰結合面和非冰結合面上界面水性能具有顯著差異，從而提供了抗凍蛋白對冰核形成具有的“Janus”效應的分子機制。