科學家在仿生抗凍蛋白領域取得新進展

　　低溫冷凍保存是上個世紀70年代迅速發展起來的一種在低溫或超低溫條件下保存細胞、組織和器官等生物材料的技術，能夠有效保證生物材料的遺傳和形態穩定性，在生物學、醫學、農學等領域具有廣泛的應用前景。然而在低溫保存過程中冰晶的不可控生長會大大損傷細胞等保存對象。目前采用的冷凍保存液，比如甘油、二甲基亞砜等，有抑制冰晶生長效率低、高毒性和使細胞脫水死亡的問題。

　　最近，中國科學院化學研究所綠色印刷重點實驗室研究員王健君與中國科學院上海應用物理研究所副研究員石國升、研究員方海平合作，基于抗凍蛋白能使生活于寒冷地區的生物體避免冰凍造成危害的特性，深入研究了抗凍蛋白能夠有效地降低結冰溫度、抑制冰晶生長和重結晶的作用機制。發現這類蛋白的冰吸附面（ice binding face）上親疏水相間官能團（甲基和羥基）的有序排列，使其表面形成類冰水，從而能夠選擇性吸附到冰晶表面，抑制冰晶的生長（PNAS, 2016, doi: 10.1073/pnas.1614379114）。

　　受到抗凍蛋白的啟發，他們根據氧化石墨烯（GO）特有的碳骨架結構，開展了GO調控冰晶生長的研究。研究發現GO不但能有效地抑制冰晶生長和重結晶，而且能修飾冰晶形貌。分子動力學的模擬結果顯示GO表面具有穩定的類冰水，使得GO更傾向于與固態的冰形成穩定氫鍵，從而在大量液態水存在的條件下能夠選擇性地吸附到冰晶的表面。GO吸附到冰晶表面后，在GO間冰晶形成曲面，通過Gibbs-Thompson效應抑制冰晶生長（圖1）。

　　他們也首次將GO應用于低溫冷凍保存細胞。當選用GO作為冷凍保存劑時，與商業化的抗凍劑相比，GO展現出了非常優異的冷凍保存效果，加入0.01 wt%的GO即可將馬精子活力從24.3%提高到71.3%（圖2）。這一研究發現不但拓展了二維材料的應用領域，而且大大加深了人們對冰晶形成分子層面的理解。該工作發表在《德國應用化學》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 997 –1001）。