国立先进产业技术研究所 [主席 Ryoji Chubachi]（以下简称“AIST”）生物过程研究部 [研究主任 Tomohiro Tamura] 和 AIST/东京大学先进操作测量技术开放创新实验室 [实验室主任 Yoshiyuki Amemiya] Sakae Tsuda，高级首席研究员，Hidemasa Kondo，高级研究员，Yoshishi Nishinomiya 国立工业技术研究所首席研究员量子放射线科学技术部[所长：平野俊夫]（以下简称“QST”）量子束科学研究部[所长：茅野雅道]和高级研究员安达元康等人共同发现了类似冰晶的水分子网络。抗冻蛋白的表面。 （法新社）。他们还发现，当该水分子网络包含具有规则四面体结构的水分子簇时，与冰的结合力最强。 AFP 是从鱼和蘑菇中提取的，是一种具有先进工业和医疗应用的防冻物质，人们认为它可以通过与水结冰前形成的小冰块结合来抑制结冰。这一发现首次解释了为什么AFP可以立即与冰结合并抑制冰的生长。未来，如果能够人工制造出一种在其分子表面形成类似于冰晶的水分子网络的物质，预计这将催生一种新的节能技术，使细胞和组织能够在略低于0℃的温度下进行冷冻保存。
此项研究的详细内容请参阅学术期刊美国国家科学院院刊（美国国家科学院院刊）。
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| AFP表面形成的类似于冰晶的水分子网络（含有5个水分子，形成正四面体） |
冰是由水结冰时形成的无数小冰块反复生长和融合而形成的，并且具有在低于 0 摄氏度的温度下无限生长的特性。食品、医疗产品、细胞、组织等在冷冻保存过程中，内部会出现冰继续生长的现象，导致其冷冻品质和活力丧失，这已成为一个问题。 AFP在略低于0℃的温度范围内与冰表面结合，能强烈抑制其生长和融合。然而，如果能够以AFP为模型制造出人工冷冻控制物质，并且能够将单个冰块保持在极小的尺寸，则有望创造出一种新的冷冻技术，该技术使用少量的冷能来防止含水材料中形成冰块。人们还认为，这种材料可用于将冰转化为极细针的技术。然而，AFP为何能瞬间与冰结合以及AFP的结构构建原理尚未完全了解，人们迫切希望在分子水平上阐明AFP的结构和功能。
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AFP凝胶冷冻技术等等真菌 AFP 分子结构的阐明是啊AFP细胞存活率提高效果,AFP 连接以阻止冰生长此外，2016年，一家参与联合研究的公司将天然鱼类AFP商业化，目前正在考虑如何利用它。为了开发更先进的技术，近年来，他们与拥有蛋白质晶体生产技术优势的QST合作，针对AFP表面的水分子进行了研究。
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。
这次使用的是 III 型 AFP (氨基酸残基编号65，分子量约7,000)是AIST于2005年从黄芪科鱼类中发现的(图1(A))，该AFP的野生型是(1)冰晶沉淀物。 (2)丙氨酸残基(A20)是靠近表面中心的氨基酸残基，与冰晶表面的结合力密切相关(图1(B))。因此，我们创建了突变体（A20L、A20G、A20T、A20V和A20I），其中野生型A20被其他氨基酸（如亮氨酸（L）、甘氨酸（G）、苏氨酸（T）、缬氨酸（V）和异亮氨酸（I））取代（图1（C）），当我们检查每种与冰的结合强度时，我们发现了如图1所示的差异（四）。尽管A20L和A20I具有相同的侧链大小，但它们与冰晶的结合强度显着不同（图1（C））。另一方面，γ 等级处具有甲基的A20T、A20V和A20I均表现出较强的结合强度。对每个突变体的X射线晶体结构分析表明，A20I与冰的键合最强，其表面有一个类似于冰晶的水分子网络，由大约50个水分子组成。通常情况下，水分子与蛋白质表面形成氢键，但人们认为疏水性甲基的引入抑制了水分子与蛋白质表面之间氢键的形成，迫使水分子之间形成氢键并形成网络。由于甲基的引入，五个水分子在A20T、A20V、A20I上形成了四面体，但只有A20I形成了像冰晶一样的完美四面体（示意图）。由于这种四面体结构的完整性和与冰的结合强度之间存在正相关性，因此他们得出结论，冰晶状的水分子网络仅在蛋白质表面形成，其性质和形状极其有限。
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图1从黄芪鱼中提取的野生型III型AFP(A)(B)、野生型(A20)和本次创建的各种突变体(C)及其与冰的结合强度(D)的示意图
C中的绿框表示γ位的甲基。 |
冰晶表面是无序生长界面，厚度约为10-15纳米（图2）。由此结果认为，类似冰晶的水分子网络立即与该生长界面混合，并且通过将四面体水分子纳入冰晶的棱镜表面，将AFP和冰晶紧密结合，从而阻止冰的进一步生长。另外，认为这种情况下的能量势垒低于自由水在生长界面处转变为冰晶结构的情况下的能量势垒。如果能够制造出一种表面具有类似于冰晶的水分子网络的物质，预计可以开发出各种技术来控制水结冰的现象，例如用少量的冷能保持冰的尺寸极小。
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图2 AFP（A20I）的冰晶结合模型
人们认为类似于冰晶的水分子网络与冰晶的生长界面混合，快速形成坚固的AFP-冰晶复合物。
绿色代表引入的甲基。 |
未来，我们将更详细地阐明AFP表面形成类似冰晶的水分子网络的机制，并考虑设计仿照AFP的人工冷冻控制物质。此外，其目的是最大限度地减少在冻结边缘形成的无数冰块的尺寸，并建立一种方法来实现这一目标。同时，我们的目标是积累AFP的研究数据并开发更先进的AFP技术。