《Nature》子刊：冰重结晶活性抑制的原子尺度理解！

了解防冻剂仿生学的冰重结晶抑制(IRI)活性，对下一代防冻剂的开发至关重要。近日，来自英国华威大学的Gabriele C. Sosso等研究者，将分子动力学模拟和定量实验测量结合起来，以揭示聚(乙烯)醇(PVA)IRI活性的微观起源——当前最有效的仿生IRI制剂。相关论文以题为“The atomistic details ofthe ice recrystallisation inhibition activity of PVA”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21717-z

理解和控制冰的再结晶(IR)，对于广泛的应用是至关重要的，尤其是在预防低温保存生物材料引起的损伤方面。IR是奥斯特瓦尔德成熟的一种形式，即大冰晶以小冰晶为代价形成，通常发生在冻结物质的融化过程中。损伤的产生，是因为更大冰晶的形成引起渗透压力，可以破裂和刺穿细胞，导致细胞死亡。因此，IR损伤对低温生物储存材料的可行回收构成威胁，导致用于再生医学的宝贵资源(如细胞和组织样本)的浪费。使用低温保护剂可以减轻IR的损伤，但其使用受到广泛的工作规程和潜在的细胞毒性的影响。因此，大量的工作已经致力于寻找，具有生物相容性、相对容易生产且在相对低浓度下表现出特殊的冰重结晶抑制(IRI)活性的替代冷冻保护剂。

合理设计新的IRI活性化合物的主要障碍，是对它们的结构-功能关系的理解的不完整：事实上，即使是典型的IRI制剂，如合成聚合物聚乙烯醇(PVA)，也有很多关于PVA和冰，在分子水平上相互作用的猜测。同样，PVA已被证明在低温保存期间可以缓解IR，并在一定程度上，促进哺乳动物细胞解冻后的恢复。因此，了解PVA赋予IRI活性的潜在机制是开发、精炼和优化下一代低温保护剂的关键，这种保护剂可以针对不同的应用范围进行调整。

因此，尽管PVA IRI活动的核心微观动机，仍在激烈争论，似乎越来越多的人认为，PVA需要最少数量的羟基，才能在足够长的时间内与冰结合，以阻止不断推进的冰锋的增长。

首先，研究者使用分子动力学(MD)模拟来研究PVA的IRI活性，通过系统地探索构象、官能团数量和聚合程度的影响。与之前的一些研究相比，研究者发现PVA可以以任何构象结合冰，并且发现晶格匹配并不是冰抑制的先决条件，相反，PVA的有效体积及其与冰面的接触面积决定了其IRI强度。研究者还发现熵的贡献，可能在冰-PCA相互作用中起作用，并且研究者证明了小块共聚物(迄今为止被认为是不激活IRI的)，可能表现出显著的IRI潜能。

图1 计算设置。

图2 300 K时PVA₂₀的构象示意图。

图3 晶格匹配不是PVA与冰结合的先决条件。

图4 PVA₁₀确实能与冰结合。

图5 PVA₁₀和PVA₂₀ IRI活性的比较。

图6 PVA的IRI活性取决于其体积/表面积。

图7 氢键和疏水的相互作用。

图8 PVA₂₀、PVA₁₀和PVA_m的IRI活性实验。

图9 具有IRI活性的PVA共聚物与冰结合的代表性快照。

图10 PVA-b-PVAm嵌段共聚物与冰之间的氢键。

综上，研究者使用全原子分子动力学模拟，来获得了PVA-冰相互作用的微观理解。研究者发现，与目前的想法相反，PVA的官能团与冰之间的晶格匹配，并没有起到作用。这是因为PVA是一种非常灵活的聚合物，可以与任何构象的冰结合。这是一个非常重要的结果，因为它从IRI活性聚合物的合理设计中消除了一个长期存在的设计约束，即晶格匹配。

此外，研究者还发现短聚合物(如PVA₁₀相比PVA₂₀)的IRI活性较弱，这是由于冰锋的推进导致短聚合物过度生长，而不是之前认为的与冰结合的羟基数量有限。在研究PVA-ice相互作用的驱动力时，研究者发现，除了由PVA与ice之间的氢键引起的焓增加外，亚甲基溶解所产生的熵贡献也起作用。最后，研究者探索了PVA-b-PVAm嵌段共聚物的IRI活性：研究者证明：没有必要通过整个聚合物链结合冰，来观察IRI活性。

这些发现不仅与低温生物学和医学应用有很大的关联，而且一定会对许多其他与冰的再结晶有关的领域产生影响，比如抗冻作物和食品工业的发展，以及在大气科学和气候变化领域，深化人类的基础知识。该结果将促进未来的实验和计算工作，旨在探索更复杂共聚物的IRI活性，从而为下一代低温保护剂的合理设计奠定基础。（文：水生）