解决聚合物与冰结合用于生物冷冻的难题

时间：2022-01-16 08:52:08 来源：

PVA和冰之间相互作用的分子级细节（来自分子动力学模拟）。

当生物材料（细胞，血液，组织）被冷冻时，使用冷冻保护剂可防止在冷冻过程中与冰的形成有关的损害。新的聚合物防冻剂与成熟的防冻剂一起出现了，但是如何精确控制冰的形成和生长仍是未知的。对于PVA来说尤其如此，它是一种看似简单的合成聚合物，它通过在沃里克大学的研究人员的帮助下已在原子水平上揭示的机理与冰相互作用。

当冷冻生物材料以减少与冰形成有关的细胞损伤时，低温保护剂至关重要。冰的重结晶，即较大的冰晶以较小的冰晶为代价生长的过程，是影响当前低温保存规程的主要问题之一，但人们对其知之甚少。华威大学的研究人员研究了一种颇受欢迎的聚合物，该聚合物具有用于冷冻保存的潜力，该聚合物如何与正在生长的冰晶结合。

华威大学的研究人员在论文自然通讯中发表的 PVA的冰重结晶抑制活性的原子学细节一文中，来自沃里克大学的研究人员发现，与正在形成的共识相反，聚（乙烯醇（PVA）都与冰结合。

到目前为止，社区一直在假设短聚合物不能充分牢固地结合到冰晶上，但是Sosso博士及其同事已经证明，这是这些结合相互作用与冰晶之间的微妙平衡。聚合物在与冰的界面处占据的有效体积，决定了它们在阻止冰重结晶方面的有效性。

这项工作将冰再结晶抑制的实验测量结果与计算机模拟结合在一起。后者是无价的工具，可以从微观上洞悉冰的形成过程，因为它们能够看到非常快速或非常小的过程中正在发生的事情，即使通过最先进的实验技术也很难看到。

这项工作为冰再结晶核心的基本原理提供了新的思路，指出了可以直接用于设计下一代冷冻保护剂的设计原理。这项成就证明了沃里克（Warwick）亲切的“团队冰”（Team Ice）的实力，这是一个不断发展的合作网络，有可能对从大气科学到药物化学的许多方面的冰形成产生巨大影响。

在Sosso博士（化学系）研究小组工作的博士生Fabienne Bachtiger领导了这项工作，他解释说：“我
们发现，即使是短链的PVA，仅包含十个聚合单元，也能与冰结合。，并且PVA的小嵌段共聚物也能结合。对于实验社区来说，了解这一点很重要，因为到目前为止，他们一直在不同的假设下进行工作。实际上，这意味着我们可以成功使用比以前认为的小得多的聚合物。这是帮助开发新的，更具活性的防冻剂的关键信息。”

来自华威大学化学系的加布里埃勒·索索（Gabriele Sosso）博士正在领导大量的计算工作来研究生物物质中冰的形成，他指出：“通过这一贡
献，我们为难题增添了关键性的一环聚合物防冻剂与正在生长的冰晶相互作用的方式。这是我的小组正在进行的大量计算和理论工作的一部分，目的是了解防冻剂如何在分子水平上起作用，从而确定可以由我们的实验同事直接探讨的设计原则。沃里克（Warwick）是加深我们对冰的理解的理想之地，这项工作展示了我的研究小组与吉布森小组之间非常激动人心的合作的影响。”

华威大学化学与华威医学院的马修·吉布森教授补充说：“冰的重结晶是冷冻生物学的真正挑战，不仅会导致细胞受损，还会导致冷冻食品或基础设施受损。了解这种“简单”聚合物如何控制冰的重结晶是发现新的冷冻保护剂并最终在现实世界中使用它们的重要一步。

参考：Fabienne Bachtiger，Thomas R. Congdon，Christopher Stubbs，Matthew I. Gibson和Gabriele C. Sosso撰写的“ PVA的冰重结晶抑制活性的原子学细节”，Nature Communications.DOI：2021年2月26日。
10.1038 / s41467-021-21717-z

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