分享一篇最近發(fā)表在Biomacromolecules上的文章，題目為Atomistic Insights into the Chain-Length-Dependent Antifreeze Activity of Oligoprolines。這篇文章的通訊作者是上海科技大學的孫兆茹研究員。
寡聚脯氨酸是一種結(jié)構(gòu)簡單卻高效的冷凍保護劑，但其冰再結(jié)晶抑制（ice recrystallization inhibition，IRI）活性隨聚合度（DP）呈非單調(diào)變化的分子機制仍不清楚，特別是 DP = 8（P8）比更長鏈（如 P15）表現(xiàn)更佳的原因。本研究通過分子動力學模擬揭示，IRI 活性源于單分子構(gòu)象與多分子聚集的協(xié)同效應。P8 之所以優(yōu)于 P15，主要在于其更高比例的“無規(guī)線團”（random coil，C）構(gòu)象，這種構(gòu)象比呈完美 PPII 螺旋的“線性”（linear，L）構(gòu)象更能增強冰結(jié)合能力，并提高對冰吞噬的抵抗力。此外，在高濃度（>40 mg/mL）下，P15 易形成可溶性無定形聚集體，減少了其在冰面的有效覆蓋，從而進一步削弱其 IRI 效率。這些發(fā)現(xiàn)為理解寡聚脯氨酸的結(jié)構(gòu)–活性關系提供了原子尺度的見解，也為認識其他抗凍聚合物中類似的非單調(diào)效應提供了理論框架（圖1）。
圖1. P8與P15寡聚脯氨酸抑制冰再結(jié)晶作用機制示意圖
作者比較了P3、P8、P15聚脯氨酸中線性構(gòu)象和無規(guī)線團構(gòu)象的含量比例（圖2）。作者選擇回轉(zhuǎn)半徑Rg作為偏置的集體變量，發(fā)現(xiàn)三種寡聚脯氨酸的總PP II螺旋含量有顯著差異，P3（63%） < P8（80%）< P15（87%），表明隨著DP增加，PPII螺旋的二級結(jié)構(gòu)特征愈發(fā)清晰，該特征隨DP增加是單調(diào)的，并非IRI活性非單調(diào)性的主要影響因素。
圖2. 300 K溶液中寡聚脯氨酸的構(gòu)象統(tǒng)計。
為了探究不同DP值和構(gòu)象對冰晶生長的影響，作者模擬了265 K下寡聚脯氨酸在冰面的表現(xiàn)（圖3）。實驗結(jié)果顯示，寡聚脯氨酸顯著抑制了冰晶生長，其抑制效果排序為：P8C > P15C > P8L ≈ P15L > P3。結(jié)合圖2中自由能計算結(jié)果表明，P8相比P15具有更高的C構(gòu)象含量，因此整體IRI性能應按P8 > P15 > P3的順序排列，這一結(jié)論與非單調(diào)實驗結(jié)果高度吻合。作者還指出，在聚合度相同時，C構(gòu)象的寡聚脯氨酸能在冰面長時間附著，其鏈段的彎曲段可以插入冰面，從而體現(xiàn)出比L構(gòu)象更高的IRI活性。因此，C構(gòu)象含量是寡聚脯氨酸IRI活性呈非單調(diào)性的主要因素。
圖3. 不同DP（3、8、15）和構(gòu)象（L和C）的寡脯氨酸抑制冰生長的能力。
抗凍分子發(fā)揮IRI活性包含三個關鍵步驟。第一步，抗凍分子需要從水相主體擴散至冰?水界面，并在此處穩(wěn)定停留；第二步，抗凍分子必須有效附著并牢固結(jié)合在冰表面；第三步，結(jié)合在冰表面的抗凍分子必須抵抗生長中的冰前沿吞噬。對于寡聚脯氨酸而言，第一步通常由疏水性決定，第二步取決于冰結(jié)合能力，最后一步則與抗吞噬性相關。
第一步模擬結(jié)果如圖4所示，冰面此時充當疏水屏障，P8和P15的C構(gòu)象親水性弱于L，可促進其向冰水界面遷移并駐留，P3因親水性過高難以駐留在冰水界面處。
圖4. 寡聚脯氨酸-水、寡聚脯氨酸-冰、寡聚脯氨酸-寡聚脯氨酸相互作用分析。
第二步模擬結(jié)果（圖5）表明，P8C和P15C能夠通過吡咯烷環(huán)上的亞甲基依靠疏水脫水作用嵌入冰面中，形成更深的結(jié)合，通過Gibbs-Thomson效應抑制冰晶生長。此外，第三步模擬結(jié)果表明，當寡聚脯氨酸在冰面上覆蓋面積>3.3 nm2時可顯著抵抗冰前沿吞噬；P8C和P15C覆蓋面積均>3.3 nm2，抗吞噬能力較P3、P8L、P15L更強。
圖5. 附著在冰表面的寡脯氨酸的結(jié)合狀態(tài)。
聚合物的聚集現(xiàn)象也會影響其IRI活性。作者發(fā)現(xiàn)，三種聚合度的寡聚脯氨酸在相對較低濃度（~20 mg/mL）下均傾向于保持分散態(tài)；而在相對較高濃度（~40 mg/mL）下，P3和P8聚集能壘較高傾向于呈分散態(tài)，而P15聚集能壘較低傾向于呈聚集態(tài)。進一步研究P15的聚集現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，其通常會形成可溶性、無定形的三維結(jié)構(gòu)（圖6）。
圖6. 寡聚脯氨酸的聚集趨勢。
由圖7可知，P15的聚集現(xiàn)象會減少其有效冰面覆蓋面積，且聚集態(tài)P15缺乏有序的冰面結(jié)合位點，導致其IRI活性低于分散態(tài)。但在265 K的較低溫度下，P15的聚集程度顯著降低，此時其聚集現(xiàn)象對IRI活性的影響會進一步降低。
圖7. 聚集態(tài)P15和分散態(tài)P15的IRI能力有顯著差異。
綜上所述，本研究采用全原子分子動力學模擬，深入解析了寡聚脯氨酸抗冰再結(jié)晶抑制活性。在P8和P15寡聚脯氨酸中，其抗冰再結(jié)晶活性源于單分子構(gòu)象和多分子聚集的協(xié)同效應，其中寡聚脯氨酸的構(gòu)象對非單調(diào)效應起決定性作用。本研究為理解寡聚脯氨酸的結(jié)構(gòu)–活性關系提供了原子尺度的見解，也為認識其他抗凍聚合物中類似的非單調(diào)效應提供了理論框架。
作者：SYM 審校：ZHR
DOI: 10.1021/acs.biomac.5c00324
Link: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.5c00324
