瞭解防凍劑仿生學的冰重結晶抑制(IRI)活性，對下一代防凍劑的開發至關重要。近日，來自英國華威大學的Gabriele C. Sosso等研究者，將分子動力學模擬和定量實驗測量結合起來，以揭示聚(乙烯)醇(PVA)IRI活性的微觀起源——當前最有效的仿生IRI製劑。相關論文以題為“The atomistic details ofthe ice recrystallisation inhibition activity of PVA”發表在Nature Communications上。

論文連結：

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

理解和控制冰的再結晶(IR)，對於廣泛的應用是至關重要的，尤其是在預防低溫儲存生物材料引起的損傷方面。IR是奧斯特瓦爾德成熟的一種形式，即大冰晶以小冰晶為代價形成，通常發生在凍結物質的融化過程中。損傷的產生，是因為更大冰晶的形成引起滲透壓力，可以破裂和刺穿細胞，導致細胞死亡。因此，IR損傷對低溫生物儲存材料的可行回收構成威脅，導致用於再生醫學的寶貴資源(如細胞和組織樣本)的浪費。使用低溫保護劑可以減輕IR的損傷，但其使用受到廣泛的工作規程和潛在的細胞毒性的影響。因此，大量的工作已經致力於尋找，具有生物相容性、相對容易生產且在相對低濃度下表現出特殊的冰重結晶抑制(IRI)活性的替代冷凍保護劑。

合理設計新的IRI活性化合物的主要障礙，是對它們的結構-功能關係的理解的不完整：事實上，即使是典型的IRI製劑，如合成聚合物聚乙烯醇(PVA)，也有很多關於PVA和冰，在分子水平上相互作用的猜測。同樣，PVA已被證明在低溫儲存期間可以緩解IR，並在一定程度上，促進哺乳動物細胞解凍後的恢復。因此，瞭解PVA賦予IRI活性的潛在機制是開發、精煉和最佳化下一代低溫保護劑的關鍵，這種保護劑可以針對不同的應用範圍進行調整。

因此，儘管PVA IRI活動的核心微觀動機，仍在激烈爭論，似乎越來越多的人認為，PVA需要最少數量的羥基，才能在足夠長的時間內與冰結合，以阻止不斷推進的冰鋒的增長。

首先，研究者使用分子動力學(MD)模擬來研究PVA的IRI活性，透過系統地探索構象、官能團數量和聚合程度的影響。與之前的一些研究相比，研究者發現PVA可以以任何構象結合冰，並且發現晶格匹配並不是冰抑制的先決條件，相反，PVA的有效體積及其與冰面的接觸面積決定了其IRI強度。研究者還發現熵的貢獻，可能在冰-PCA相互作用中起作用，並且研究者證明了小塊共聚物(迄今為止被認為是不啟用IRI的)，可能表現出顯著的IRI潛能。

圖1 計算設定。

圖2 300 K時PVA20的構象示意圖。

圖3 晶格匹配不是PVA與冰結合的先決條件。

圖4 PVA10確實能與冰結合。

圖5 PVA10和PVA20 IRI活性的比較。

圖6 PVA的IRI活性取決於其體積/表面積。

圖7 氫鍵和疏水的相互作用。

圖8 PVA20、PVA10和PVAm的IRI活性實驗。

圖9 具有IRI活性的PVA共聚物與冰結合的代表性快照。

圖10 PVA-b-PVAm嵌段共聚物與冰之間的氫鍵。

綜上，研究者使用全原子分子動力學模擬，來獲得了PVA-冰相互作用的微觀理解。研究者發現，與目前的想法相反，PVA的官能團與冰之間的晶格匹配，並沒有起到作用。這是因為PVA是一種非常靈活的聚合物，可以與任何構象的冰結合。這是一個非常重要的結果，因為它從IRI活性聚合物的合理設計中消除了一個長期存在的設計約束，即晶格匹配。

此外，研究者還發現短聚合物(如PVA10相比PVA20)的IRI活性較弱，這是由於冰鋒的推進導致短聚合物過度生長，而不是之前認為的與冰結合的羥基數量有限。在研究PVA-ice相互作用的驅動力時，研究者發現，除了由PVA與ice之間的氫鍵引起的焓增加外，亞甲基溶解所產生的熵貢獻也起作用。最後，研究者探索了PVA-b-PVAm嵌段共聚物的IRI活性：研究者證明：沒有必要透過整個聚合物鏈結合冰，來觀察IRI活性。

這些發現不僅與低溫生物學和醫學應用有很大的關聯，而且一定會對許多其他與冰的再結晶有關的領域產生影響，比如抗凍作物和食品工業的發展，以及在大氣科學和氣候變化領域，深化人類的基礎知識。該結果將促進未來的實驗和計算工作，旨在探索更復雜共聚物的IRI活性，從而為下一代低溫保護劑的合理設計奠定基礎。（文：水生）