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。目前採用的冷凍保存液，比如甘油、二甲基亞碸等，有抑製冰晶生長效率低、高毒性和使細胞脫水死亡的問題。

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不但能有效地抑製冰晶生長和重結晶，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更傾向於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吸附到冰晶表面後，在GO間冰晶形成曲面，通過Gibbs-Thompson效應抑製冰晶生長（圖1）。

他們也首次將GO應用於低溫冷凍保存細胞。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）。

圖1 氧化石墨烯上含氧基團的特殊排列結構與冰晶形成的氫鍵並能有效抑製冰晶生長和修飾冰晶形貌

圖2 氧化石墨烯抑製冰晶重結晶效果顯著並首次用做低溫保存劑