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(jìn)化產(chǎn)生的一類用于防止生物體內(nèi)結(jié)冰而導(dǎo)致生物體死亡的功能性蛋白質(zhì)。對于抗凍蛋白抗凍機(jī)制的研究有助于揭開冰晶成核、生長和冰晶形貌調(diào)控的分子層面的機(jī)理。因而，自上世紀(jì)60年代首次發(fā)現(xiàn)抗凍蛋白以來，科研人員對這類蛋白的抗凍機(jī)制進(jìn)行了近半個世紀(jì)的研究。但是，科研人員對抗凍蛋白調(diào)控冰晶成核的確切作用和機(jī)制一直有爭議，即有些科研人員認(rèn)為抗凍蛋白能促進(jìn)冰核的形成，而另一些科研人員則認(rèn)為抗凍蛋白可以抑制冰核的生成。
在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的大力支持下，中科院化學(xué)所的劉凱同學(xué)、王健君研究員與中科院上海應(yīng)用物理所的王春雷副研究員、方海平研究員和新疆大學(xué)的馬紀(jì)教授合作，根據(jù)抗凍蛋白的冰結(jié)合面 (ice-binding face)和非冰結(jié)合面 (non-ice-binding face)具有截然不同官能團(tuán)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(jié)合面與非冰結(jié)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)：冰結(jié)合面促進(jìn)冰晶成核，而非冰結(jié)合面抑制冰晶成核（圖一）。
圖一：通過定向固定抗凍蛋白，發(fā)現(xiàn)抗凍蛋白的冰結(jié)合面和非冰結(jié)合面對冰核形成的“Janus”效應(yīng)
他們進(jìn)一步通過分子動力學(xué)模擬研究了抗凍蛋白的冰結(jié)合面和非冰結(jié)合面界面水的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了冰結(jié)合面上羥基和甲基有序間隔排列使得冰結(jié)合面上形成類冰水合層，促進(jìn)冰核生成；而非冰結(jié)合面上存在的帶電荷側(cè)鏈及疏水性側(cè)鏈，使得非冰結(jié)合面上的界面水無序，抑制冰核形成。從而揭示了抗凍蛋白對冰成核“Janus”效應(yīng)分子層面的機(jī)制。
該研究大大加深了人們對抗凍蛋白分子層面抗凍機(jī)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(dǎo)意義。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《美國科學(xué)院院報》PNAS, 2016, doi: 10.1073/pnas.1614379114上。
圖二：分子動力學(xué)模擬揭示了抗凍蛋白的冰結(jié)合面和非冰結(jié)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(yīng)的分子機(jī)制。
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