V体育抑制冰形成和生长的三联苯分子-有望应用于涉及冷冻的工业领域-

演示要点

〇 成功开发出具有与天然抗冻蛋白相当的抗冻活性的对三联苯V体育
〇　p-三联苯V体育的大小约为抗冻蛋白的 1/100，并且易于合成
〇通过第一性原理模拟提出基于部分质子化的防冻机制
〇​预计应用于与冷冻相关的工业领域，如冷冻食品、化妆品、医疗领域、工业设备

总结

　生活在南极和北极等极冷环境中的鱼类和植物具有特殊的机制，即使在冰冻温度下也能防止它们结冰。因素之一是这些生物体体内含有控制冰形成和生长的防冻物质。防冻物质的研究多年来一直受到学术界和工业界的关注，因为它有望在广泛的领域得到应用，包括保持冷冻食品的质量、化妆品中的保湿组织、医疗领域的细胞和器官的冷冻保存以及在低温环境下操作工业设备。鱼类和植物中发现的抗冻物质是分子量为 26 至 33 kDa 的大型抗冻蛋白。由于化学合成困难，天然提取物主要用于工业用途。然而，由于它们的尺寸和结构复杂性，很难阐明抗冻作用的详细机制并研究它们的结构发展，因此人们希望开发具有抗冻作用的有机小分子。
　V体育生命与应用化学学院的Tetsuo Shibata教授和物理工程学院的Shuji Ogata教授领导的研究小组与KUREi Inc的Hidehisa Kawahara博士和巴伦西亚大学的Santos Fustero教授合作，发现了一种小有机分子，其抗冻活性可与天然防冻蛋白相媲美。该分子具有简单的化学结构，由三个苯环连接成一条直线p-三联苯(*1)化合物，其大小约为抗冻蛋白的1/100。该研究成果不仅阐明了生活在极寒环境下的生物体的抗冻机制，而且具有在食品、医学、材料科学等广泛领域应用的潜力。该结果于2024年9月4日发表在《美国化学会杂志》上。》网络突发新闻版

研究背景

抗冻蛋白是具有独特的抗冻作用、抑制冰的重结晶(*2)、降低水的冰点的蛋白质的总称。抗冻蛋白因其强大的抗冻性能而有望用于维持冷冻食品的质量、低温保存细胞和器官以及涉及冷冻的各种工业领域。在自然界中，生活在南极和北极地区的鱼类、昆虫和植物已经进化出独特的机制来产生抗冻蛋白并抑制冰的形成和再结晶，以在极冷的环境中生存。受这种自然现象的启发，科学家们长期以来一直对设计和合成模仿抗冻蛋白的抗冰形成特性的分子感兴趣。
　然而，天然存在的防冻分子，例如防冻蛋白，通常非常大且结构复杂（分子量在26至33 kDa之间，图1A），并且由于其大小和结构复杂性，与冰晶发生各种各样的微观相互作用，但很难阐明表达防冻效应的关键相互作用和研究结构演化。因此，人们开发了具有抗冻活性的合成多肽（*3）和聚合物（图1B）等人工抗冻物质，但由于它们体积大且结构复杂，因此在结构与活性之间的关系、功效的优化以及作用原理的详细理解方面都受到限制。为了解决这些问题，开发具有强防冻作用的低分子防冻剂显得尤为重要。尽管迄今为止已报道了几种小分子防冻剂，但其中许多是偶然V体育的，其结构多种多样，防冻作用机制也不一致，因此合理设计新型防冻剂分子仍然是一个艰巨的挑战。
　在这项研究中，我们采用了超越传统概念的新方法，设计和开发了一种小分子但具有高稳定性和强抗冻作用的新化合物，并旨在通过基于第一性原理的模拟来阐明抗冻作用的机制。如果这项研究成功，预计不仅会扩大低分子防冻剂的潜在应用范围，还将提供超越常规防冻剂局限性的新可能性。

图1抗冻蛋白的结构(A)和迄今为止开发的人工抗冻剂的结构(B)

研究内容

　本课题组设计的低V体育防冻剂化合物的基本概念是α－它基于利用螺旋结构(*4)。抗冻蛋白附着在冰的特定晶面上，抑制冰在这些晶面上的生长并形成小而稳定的冰晶。它粘附在冰上并抑制其生长的机制尚不清楚。这种防冻作用是由于有序的α－螺旋结构通过V体育间力与冰晶表面相互作用时产生。此外，α－除了螺旋结构外，V体育内疏水（亲脂）和亲水区域的适当平衡也很重要。这是因为冰通常被认为比液态水更具疏水性。 2018 年，Shibata 教授和该研究小组的同事宣布了一种具有抗冻活性的半乳糖连接脯氨酸低聚物。这种半乳糖连接的脯氨酸寡聚物是 α－除了显示螺旋结构外，还V体育作为疏水性官能团的氟原子的存在或不存在也会影响防冻活性（图2A，化学。交流。 2018, 54，9749-9752。）。在此背景下，本课题组p-我们专注于三联苯V体育，并对将其设计为先导化合物特别感兴趣。
　p-三联苯V体育在三个环上具有三个取代基，α－已知形成螺旋结构。该结构为α－It mimics a specific aspect (180° interaction) of a helical peptide (Figure 2B)基于这些知识，本研究小组α－模仿螺旋结构并具有亲水和疏水部分p-我们设计了一种三联苯化合物。具体来说，p-Four guanidine units were attached to either side of the terphenyl core using carbon chains of different lengths (Figure 2C)

图 2 (A) 半乳糖连接的脯氨酸寡聚物
　　(B)p-三联苯V体育和肽化合物的α-螺旋结构
(C) 设计的三联苯胍V体育

　

　虽然胍部分是亲水性的，p-三联苯核心具有两个甲基，因此具有疏水性。此外，我们认为改变侧链碳链的长度会影响三联苯V体育周围水溶性结构的分布，因此我们创建了五种不同长度的碳链。p-三联苯胍1a-1e合成（图3A）。
　这5种p-为了评价三联苯胍化合物的防冻效果，测量了冰重结晶抑制效果（IRI活性）（图3B）。 IRI活性是抑制冰晶生长效果的指标，防冻效果高的物质，冰晶不会生长而变成小颗粒。结果，合成了五种类型p-三联苯胍化合物1a-e均显示出抗冻活性。特别是，它具有一个碳数的胍基部分p-三联苯胍1a显示出最有效的 IRI 活性（IRI 活性 046，1 mg/mL）。

图3　 (A) 开发了 5 种类型p-三联苯胍的化学结构，(B) 5种p-三苯胍防冻效果评价

　

接下来，p-为了阐明三联苯胍发挥防冻作用的机制，我们使用DFT（密度泛函理论）（*5）进行了V体育动力学模拟（*6）。模拟表明，当三联苯胍分散在水中时，亲水部分和疏水部分在空间上分离，并且水V体育被强烈吸引到亲水表面。特别是三种类型的三苯胍化合物(图41a、1c、1e)的酸解离常数，我们V体育三联苯胍被部分质子化(*7)，由此产生的部分电荷偏压导致库仑引力改变分子形状，使亲水部分和疏水部分清晰分离，从而提高防冻作用。此外，还表明胍的质子化程度和稳定形状根据碳链的长度而不同。这些结果表明三联苯胍 (1a)中防冻效果最好的实验结果非常吻合（图4）。

图 4 (A) 水下p-三联苯胍的V体育动力学模拟
　　　　(B) Strong attraction of water molecules by hydrophilic site (N), partial protonation, deformation angle
　　　　(C) 酸解离常数的第一原理计算

社会意义

防止水结冰的技术有可能解决社会上的许多问题。例如，通过冷冻防止细胞破坏将导致器官移植和细胞保存技术的巨大进步，进一步加强医疗领域的拯救生命努力。它还在防止寒冷地区设备和设备结冰、降低飞机飞行过程中结冰风险等方面显着提高安全性和效率。
目前，源自动植物的抗冻蛋白作为抗冻剂广泛应用于食品、化妆品等领域，但由于其是蛋白质，存在稳定性问题，应用范围受到限制。然而，由于这项研究开发了一种高度稳定且可合成的人造防冻物质，因此有可能在传统技术难以处理的环境中使用它。预计这将使我们的生活更加安全、便捷。特别是，p-结合三联苯的螺旋结构和两亲特性的低V体育防冻物质的研制成功，将进一步加速防冻技术的进步。这项技术创新有望扩大其在各个工业领域的应用，为实现可持续发展的社会做出贡献。

未来展望

简单的化学结构p-我们能够通过基于三联苯的V体育设计开发出具有优异防冻性能的物质，这一事实表明了更多的可能性。未来，有望通过改进V体育结构和合成方法，开发出更强、更多样化的人工防冻物质。此外，p-利用三联苯化合物螺旋结构的三维V体育设计可能适用于新型催化剂和功能材料的开发。创新技术将在化学、材料科学、医学、环保等广泛领域诞生，有望为整个社会带来巨大的福祉。

　这项研究得到了探索性研究补助金（研究代表：柴田哲夫）（项目编号 JP16K13992）、健康科学基金会补助金（研究代表：柴田哲夫）、积水化学基金会补助金（研究代表：柴田哲夫）和先进信息科学技术研究所 (RIST) HPCI 系统利用研究项目的支持。 （首席研究员：Shuji Ogata）（项目编号 hp230054、hp240100）。

论文信息

论文标题：α-螺旋对三联苯胍作为有效小V体育防冻剂的设计和机理见解
作者姓名：Putri Nur Arina Mohd Ariff、Daniel M Sedgwick、Kenta Iwasawa、Tatsuki Kiyono、Yuji Sumii、Ryoya Ikuta、Masayuki Uranagase、Hidehisa Kawahara、Santos Fustero、* Shuji Ogata、* 和 Norio Shibata* 骠*通讯作者
发表于：美国化学会杂志
发布日期：2024 年 9 月 4 日
DOI：101021/jacs4c09389
期刊链接：

术语表

（*1）p-三联苯
由三个芳香环组成的V体育，其中另一个芳香环通过碳-碳单键键合到芳香环的第1位和第4位。

(*2) 冰的重结晶
当水变成冰时，首先由异物形成冰核，水V体育结合在冰核周围并生长为冰晶。冰晶长大并变大，与其他冰晶融合，并反复融化，通常在冰点以下的温度下变成冰。 The stage in which ice crystals grow and become larger is called ice recrystallization

(*3) 多肽
氨基酸通过酰胺键连接形成聚合物的V体育。当氨基酸通过酰胺键连接时，酰胺键称为肽键。

(*4) α-螺旋结构
由于V体育内氢键，多肽可以具有稳定的三维结构。此时，多肽规则地卷绕成螺旋状的结构称为α-螺旋结构，并通过酰胺键的亚氨基(NH)与羰基(C=O)之间形成氢键而稳定。

(*5) 密度泛函理论（DFT）
一种根据量子力学第一原理计算V体育内电子状态并预测其化学反应和物理性质的理论。

(*6) V体育动力学模拟
一种模拟方法，其中计算构成V体育的原子之间作用的力，并使用计算机预测每个原子在有限温度下的运动。

(*7) 质子化
当V体育放入水中时，质子从水中移动到V体育的特定部分，使其热力学稳定。

联系信息

研究相关

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