合肥工業大學食品與生物工程學院在抗凍分子機制研究領域取得新進展

近日，合肥工業大學食品與生物工程學院劉洪林教授課題組在抗凍分子機制研究領域取得重要進展，相關研究成果“Antifreezing Hydroxyl Monolayer of Small Molecules on Nanogold Surface”發表于國際知名期刊Nano Letters。該研究在分子水平上探索了潛在的冰重結晶抑制（IRI）機制，解釋了羥基密度和納米級剛性表面的重要作用，為設計和制備通用IRI分子或材料提供了新策略，在未來食品與生物工程領域的低溫保存應用方面具有重要的科學意義。
 
　　冰晶的成核與生長控制在食品與生物工程領域具有重要的應用價值。自然界的一些極地魚類、昆蟲以及阿拉斯加樹蛙等體內含有冰結合蛋白（IBPs），能夠調控冰晶的成核與生長，從而免受冰凍傷害。近年來，受IBPs的啟發，IRI材料的制備并應用于食品與生物工程領域的低溫保存引起了廣泛的關注。然而，到目前為止，IBPs冰結合位點上親水和疏水基團識別與結合冰面的分子作用原理仍然知之甚少，其潛在分子機制仍存在爭議，由于缺乏足夠的理論和實驗指導，通用IRI材料的設計面臨極大挑戰。因此，迫切需要在分子水平上闡明IRI的機理并建立一個簡單的模型指導IRI材料的合成。
 
　　該研究巧妙地設計了一個非常簡單但通用的模型，即五種外露的羥基或甲基結構類似物在納米金表面形成單分子層，揭示了IRI活性的來源。作者在單分子層上引入不同的基團并控制其修飾密度，表明了該模型中IRI活性與納米金表面的羥基密度密切相關，疏水相互作用對宏觀的IRI活性不是必要的。分子動力學模擬闡明了實驗觀察下的羥基密度依賴的IRI軌跡，徑向分布函數進一步驗證了不同密度修飾下冰晶與小分子之間氫鍵結合能力的差異，由于疏水相互作用，甲基甚至輕微地阻礙了氫鍵的形成。作者進一步利用表面增強拉曼光譜在分子水平上驗證了納米金-小分子與冰晶的相互作用。通過實驗結合分子動力學模擬揭示了納米顆粒表面的羥基和甲基在冰重結晶抑制過程中的分子作用機制。
 
　　我院博士研究生丁中祥和中國科學技術大學王超副研究員為本文共同第一作者，劉洪林教授為通訊作者。丁中祥負責了本文整體實驗開展和論文撰寫，王超副研究員負責了分子動力學模擬等理論計算工作，我院青年教師蘇夢可、碩士研究生周寶梅、博士研究生楊士萱、李雨竹和瞿丞分別參與了拉曼實驗、納米金合成、低溫實驗、數據處理和論文修改等方面的研究工作。
 
　　上述研究依托我院和中國輕工業肉品微生物控制及利用重點實驗室等科研平臺，得到了國家重點研發計劃、國家優秀青年科學基金、面上項目、安徽省重點研發計劃、安徽省自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項等支持。
 
　　論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c01267



日期：2022-06-17