论文标题：Rational Design of and Mechanism Insight into an Efficient Antifreeze Peptide for Cryopreservation

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.01.015

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天津大学张雷教授团队在中国工程院院刊《Engineering》发表题为“Rational Design of and Mechanism Insight into an Efficient Antifreeze Peptide for Cryopreservation”（用于冷冻保存的高效抗冻肽的理性设计及机理研究）的研究性文章，齐海山、高奕航为共同第一作者。该研究为冷冻保存领域带来了新进展，团队通过对冰结合蛋白（IBP）的深入研究，理性设计出具有显著抗冻活性的多肽，其中 AVD 抗冻肽表现优异，有望成为细胞冷冻保存的新型冷冻保护剂（CPA）。

细胞冷冻保存过程中，冰晶的形成和生长会对细胞造成机械和化学损伤，严重影响细胞活性。自然界中，耐寒生物体产生的 IBP 可控制冰晶生长，但因其免疫原性、不稳定性和高成本，限制了实际应用。受 IBP 启发，科研人员一直致力于开发仿生抗冻材料，抗冻肽因其低免疫原性和有效抗冻活性备受关注，然而其理性设计颇具挑战。

图1. 抗冻肽的设计。(a)设计新型抗冻肽的流程图;(b)通过ML分析获得的来自9种耐寒生物的IBP的系统发育树;(c)~(j)对重复氨基酸序列 的基序进行保守分析。

此次研究中，科研团队提出了基于重复基序设计抗冻肽的新策略。他们从 GenBank 和 UniProt 数据库收集了 22 个耐冷物种的 233 个具有规则结构的 IBP 序列，利用 HHrepID 和 MEME 程序对其进行系统分类和进化分析，确定重复基序，并通过 WebLogo 算法进行保守分析，设计出 8 种具有抗冻特性的多肽。

实验结果显示，多种多肽展现出不同程度的冰晶重结晶抑制（IRI）活性。其中，AVD 抗冻肽表现最为突出，其在低浓度下就具有较高的 IRI 活性，且溶解度和生物相容性良好。与其他报道的抗冻材料相比，AVD 在抑制冰晶生长方面表现更优。

为进一步探究 AVD 的抗冻机制，科研人员通过定点突变和分子动力学模拟（MD）进行研究。结果表明，AVD 肽的 Thr6 和 Asn8 残基是其冰结合能力的关键位点，而 Ser18 残基可协同增强它们与冰的相互作用，共同阻碍冰的生长。

图2. AVD 肽的突变分析和 MD 模拟。

在细胞冷冻保存实验中，AVD 展现出良好的应用潜力。研究人员使用 AVD 对多种细胞进行冷冻保存，结果显示，随着 AVD 浓度增加，细胞回收率显著提高。以 NIH-3T3、RAW264.7 和 GLC-82 细胞系为例，使用 10 mg/mL 的 AVD 作为 CPA，细胞回收率分别达到 70.9%、34.9% 和 95.7% ，远高于未添加 AVD 的对照组。此外，AVD 还能在冷冻/解冻循环中稳定细胞膜，维持细胞的超微结构和正常代谢，确保细胞在冻融后仍具有良好的活力和功能。

该研究为设计抗冻材料开辟了新途径，提供的抗冻肽设计策略有助于丰富合成生物学的功能模块库。未来，科研团队计划采用玻璃化法，以 AVD 为 CPA 进行更深入的细胞冷冻保存研究，有望推动细胞和组织冷冻保存领域的发展，为相关生物医学应用提供更有效的技术支持。

文章信息：

Rational Design of and Mechanism Insight into an Efficient Antifreeze Peptide for Cryopreservation用于冷冻保存的高效抗冻肽的理性设计及机理研究

作者：

齐海山#, 高奕航#, 张麟, 崔忠信, 睢晓洁, 马见帆, 杨静, 舒志全, 张雷*

引用：

Haishan Qi, Yihang Gao, Lin Zhang, Zhongxin Cui, Xiaojie Sui, Jianfan Ma, Jing Yang, Zhiquan Shu, Lei Zhang. Rational Design of and Mechanism Insight into an Efficient Antifreeze Peptide for Cryopreservation. Engineering, 2024, 34(3): 164–173

开放获取论文：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.01.015

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