国立先进产业技术综合研究所 [会长 中钵良二]（以下简称“AIST”） 生物过程研究部 [研究主任 Tomohiro Tamura] 生物分子工程研究组和 AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室 [实验室主任 雨宫 Yoshiyuki] 津田荣 同一部门高级首席研究员 近藤英正 首席研究员 小山靖 校长研究人员正在研究目前正在工业化的鱼类和真菌。抗冻蛋白（抗冻蛋白，法新社）发现，15 至 60 mg/L 的极低浓度可以防止冰重结晶，从而损害冷冻材料的质量和活力。
冰由无数单晶冰（冰核）组成，这些单晶冰反复生长和融合，并随着时间的推移通过“冰重结晶”变成大块。法新社有能力阻止这种现象（冰再结晶抑制，IRI 活性）已被识别，但尚未建立对其进行定量的方法。这次，我们构建了一个可以观察冰重结晶过程的光学显微镜系统（见下图），并发现了一种量化多种类型AFP的IRI活性的方法。鱼 II 型 AFP 在最低浓度 (15 mg/L) 下显示出 IRI 活性。研究还表明，这种 AFP 与大范围的冰晶表面结合，这被认为是 IRI 活性强的原因。
这项研究于 2 月 13 日发表在英国科学杂志上科学报告
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用光学显微镜拍摄的冰的时间进程（左）（右）
重结晶发生在冰中。 AFP 可以在极少量的情况下阻止再结晶。 |
冰是无数冰核的致密集合，每个冰核吸收周围的水分子并重结晶，变成更大的冰核。当这种现象在冰冻物体内部进行时，冰的状态会发生巨大变化，导致冰冻物体的内部结构受损并停止其生命功能。因此，人们相信，如果开发出阻止冰重结晶的技术，将有可能在不牺牲质量或活力的情况下冷冻蔬菜、水果、加工食品、面包、面条、软饮料、医疗用品、试剂、化妆品、色素、细胞、组织、器官等。鱼类AFP I至III（以下简称AFP I至III）含有在日本周边海域捕获的比目鱼、比目鱼和黄芪的肌肉液，尽管其成分和结构差异很大，但人们认为在略低于0°C的温度下具有IRI活性。然而，目前还没有建立准确定量 AFP 的 IRI 活性的方法，并且 IRI 活性所需的 AFP 最低浓度以及 AFP I 和 III 之间 IRI 活性的差异尚不清楚。此外，一些AFP仅与冰核的一部分结合，而另一些则与整个表面结合，但这些与IRI活性之间的关系仍不清楚，并且强烈希望进行基础研究来解决这些问题。
AIST 一直在进行研究，以在工业和医疗领域进一步利用 AFP。由鱼制成AFP 质量纯化技术是啊高孔隙率陶瓷用于制造业AFP凝胶冷冻技术等等真菌 AFP 分子结构的阐明、AFP的细胞存活率提高效果,冰晶状水分子网络如果AFP含有盐或缓冲成分，它们本身就会对冰、食物、细胞等产生负面影响，因此我们集中精力研究以获得不含此类杂质的高纯度AFP。人们认为AFP的IRI活性可以广泛应用于防止食品和细胞中形成冰块的技术，但其所需的AFP量的标准值尚未明确。
这项研究得到了日本学术振兴会科学研究补助金 (15K13760) 的支持。
通常，当AFP溶解在重量浓度为40%的蔗糖水溶液中时，研究AFP的IRI活性。这次也将该水溶液用作AFP样品（I型至III型AFP和真菌AFP）的溶剂，并将各种浓度的AFP水溶液设置在光学显微镜的载物台上。在确认-8℃冷冻的AFP水溶液变成了无数小冰核的集合体后，研究小组将这种状态保持约1小时并拍摄了显微图像。图 1A 显示了每隔 5 分钟拍摄一次的三张冰核显微图像。这些图像显示，冰核可分为三种类型：（1）生长并增大尺寸的冰核（A型），（2）通过与其他冰核合并而增大尺寸的冰核（B型），以及（3）逐渐融化并消失的冰核（C型）。我们推断A型冰核的生长是通过一种称为“奥斯特瓦尔德生长”的机制进行的，其中水分子从消失的冰核（C型）中接收（图1B），以及奥斯特瓦尔德生长的理论公式r3(t) =r3(0) + kt （r：冰核半径，k：冰核的生长速度，t：时间）我们分析了A型冰芯半径随时间的变化。统计样本从显微镜图像中提取并使用图像分析软件Image-J测量其半径的平均值。r3) 是时间 (t)随11721_11771|)线性增加（图1C）。图1C中每条直线的斜率，即冰核的生长速率（k) 是 AFP 浓度 (Ci)随着它的增加而接近于零。这表明当添加一定量的AFP时，冰核的生长停止。kAFP 浓度 (C)，得到如图1D所示的S形曲线。该数据也可以使用奥斯特瓦尔德理论来解释。该S形曲线的终点（图1D，箭头）是完全停止冰核晶体生长所需的AFP（IRI端点）。这次通过这种分析测量的 AFP 样品的 IRI 非常低，约为 15 至 60 mg/L端点估计（图1E）。最佳 IRI 性能 (IRI端点=15 mg/L)。细胞冻存液中含有缓冲成分、盐类、甘油等，已知这些成分对抑制冰核生长的作用较弱。因此，实际细胞冻存液中AFP就是IRI端点的浓度的浓度下发挥作用。 IRI端点对开发此类AFP冷冻保存技术具有参考价值。
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| 图 1 来自冰核（A 型）时间过程变化的每个 AFP 的 IRI，显示奥斯特瓦尔德生长端点 |
为了研究AFP阻止冰重结晶的能力不同的原因，将直径约2cm的半球形冰单晶浸入附着有红色、黄色和绿色荧光物质的每种AFP的01mg/mL水溶液中，并在约2小时后取出（图2A、B）。当用紫外线照射并观察它们时，仅在冰晶半球的特定区域观察到荧光，如图2C所示。半球形单晶冰由数百万个以不同间隔排列的水分子组成。人们认为，在 AFP 之间观察到不同的荧光模式是因为每个 AFP 都能识别并结合其中的一组特定水分子。 AFP 在更广泛的范围内显示荧光图案，具有 IRI端点很小，据认为与更多样化的冰晶面结合的能力决定了 AFP 的 IRI 活性的强度。
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| 图2通过将附着有荧光物质的AFP吸附到半球形单晶冰上并用紫外线照射而获得的观察结果 |
使用新开发的方法对添加到含有缓冲成分、离子、血清、甘油等的实际细胞保存液中的AFP浓度进行定量，本次得到的IRI端点的标准值此外，我们将继续阐明更多AFP的结构和功能。
国立产业技术综合研究所
生物过程研究部生物分子工程研究组
高级首席研究员 Sakae Tsuda 电子邮件：stsuda*aistgojp（发送前请将 * 更改为 @。）