分享一篇最近发表在Biomacromolecules上的文章，题目为Atomistic Insights into the Chain-Length-Dependent Antifreeze Activity of Oligoprolines。这篇文章的通讯作者是上海科技大学的孙兆茹研究员。
寡聚脯氨酸是一种结构简单却高效的冷冻保护剂，但其冰再结晶抑制（ice recrystallization inhibition，IRI）活性随聚合度（DP）呈非单调变化的分子机制仍不清楚，特别是 DP = 8（P8）比更长链（如 P15）表现更佳的原因。本研究通过分子动力学模拟揭示，IRI 活性源于单分子构象与多分子聚集的协同效应。P8 之所以优于 P15，主要在于其更高比例的“无规线团”（random coil，C）构象，这种构象比呈完美 PPII 螺旋的“线性”（linear，L）构象更能增强冰结合能力，并提高对冰吞噬的抵抗力。此外，在高浓度（>40 mg/mL）下，P15 易形成可溶性无定形聚集体，减少了其在冰面的有效覆盖，从而进一步削弱其 IRI 效率。这些发现为理解寡聚脯氨酸的结构–活性关系提供了原子尺度的见解，也为认识其他抗冻聚合物中类似的非单调效应提供了理论框架（图1）。
图1. P8与P15寡聚脯氨酸抑制冰再结晶作用机制示意图
作者比较了P3、P8、P15聚脯氨酸中线性构象和无规线团构象的含量比例（图2）。作者选择回转半径Rg作为偏置的集体变量，发现三种寡聚脯氨酸的总PP II螺旋含量有显著差异，P3（63%） < P8（80%）< P15（87%），表明随着DP增加，PPII螺旋的二级结构特征愈发清晰，该特征随DP增加是单调的，并非IRI活性非单调性的主要影响因素。
图2. 300 K溶液中寡聚脯氨酸的构象统计。
为了探究不同DP值和构象对冰晶生长的影响，作者模拟了265 K下寡聚脯氨酸在冰面的表现（图3）。实验结果显示，寡聚脯氨酸显著抑制了冰晶生长，其抑制效果排序为：P8C > P15C > P8L ≈ P15L > P3。结合图2中自由能计算结果表明，P8相比P15具有更高的C构象含量，因此整体IRI性能应按P8 > P15 > P3的顺序排列，这一结论与非单调实验结果高度吻合。作者还指出，在聚合度相同时，C构象的寡聚脯氨酸能在冰面长时间附着，其链段的弯曲段可以插入冰面，从而体现出比L构象更高的IRI活性。因此，C构象含量是寡聚脯氨酸IRI活性呈非单调性的主要因素。
图3. 不同DP（3、8、15）和构象（L和C）的寡脯氨酸抑制冰生长的能力。
抗冻分子发挥IRI活性包含三个关键步骤。第一步，抗冻分子需要从水相主体扩散至冰−水界面，并在此处稳定停留；第二步，抗冻分子必须有效附着并牢固结合在冰表面；第三步，结合在冰表面的抗冻分子必须抵抗生长中的冰前沿吞噬。对于寡聚脯氨酸而言，第一步通常由疏水性决定，第二步取决于冰结合能力，最后一步则与抗吞噬性相关。
第一步模拟结果如图4所示，冰面此时充当疏水屏障，P8和P15的C构象亲水性弱于L，可促进其向冰水界面迁移并驻留，P3因亲水性过高难以驻留在冰水界面处。
图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。
第二步模拟结果（图5）表明，P8C和P15C能够通过吡咯烷环上的亚甲基依靠疏水脱水作用嵌入冰面中，形成更深的结合，通过Gibbs-Thomson效应抑制冰晶生长。此外，第三步模拟结果表明，当寡聚脯氨酸在冰面上覆盖面积>3.3 nm2时可显著抵抗冰前沿吞噬；P8C和P15C覆盖面积均>3.3 nm2，抗吞噬能力较P3、P8L、P15L更强。
图5. 附着在冰表面的寡脯氨酸的结合状态。
聚合物的聚集现象也会影响其IRI活性。作者发现，三种聚合度的寡聚脯氨酸在相对较低浓度（~20 mg/mL）下均倾向于保持分散态；而在相对较高浓度（~40 mg/mL）下，P3和P8聚集能垒较高倾向于呈分散态，而P15聚集能垒较低倾向于呈聚集态。进一步研究P15的聚集现象发现，其通常会形成可溶性、无定形的三维结构（图6）。
图6. 寡聚脯氨酸的聚集趋势。
由图7可知，P15的聚集现象会减少其有效冰面覆盖面积，且聚集态P15缺乏有序的冰面结合位点，导致其IRI活性低于分散态。但在265 K的较低温度下，P15的聚集程度显著降低，此时其聚集现象对IRI活性的影响会进一步降低。
图7. 聚集态P15和分散态P15的IRI能力有显著差异。
综上所述，本研究采用全原子分子动力学模拟，深入解析了寡聚脯氨酸抗冰再结晶抑制活性。在P8和P15寡聚脯氨酸中，其抗冰再结晶活性源于单分子构象和多分子聚集的协同效应，其中寡聚脯氨酸的构象对非单调效应起决定性作用。本研究为理解寡聚脯氨酸的结构–活性关系提供了原子尺度的见解，也为认识其他抗冻聚合物中类似的非单调效应提供了理论框架。
作者：SYM 审校：ZHR
DOI: 10.1021/acs.biomac.5c00324
Link: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.5c00324
