抗冻蛋白在冰晶表面吸附结合的机制及其对冰晶生长行为影响的研究

本项目研究从抗冻蛋白氨基酸序列出发，用生物信息学方法，对比分析不同抗冻蛋白功能区域的物理化学特性和二级结构及空间结构特征，根据最新的实验结果，深入分析影响抗冻蛋白在冰晶表面吸附结合的关键因素。从理论上计算分析溶液中的抗冻蛋白结合到冰晶表面后引起的化学势变化的合理范围，构建描述结合了抗冻蛋白的冰水界面层系统的配分函数。分析吸附结合在冰晶表面的抗冻蛋白引起的冰水两相界面层的熵与自由能的变化，以及由此造成的冰水两相界面层平衡结构的变化。根据大分子溶液统计热力学和化学动力学理论，建立抗冻蛋白在冰晶表面吸附结合并产生热滞现象的统计热力学理论模型，阐明抗冻蛋白影响冰晶生长行为和热滞现象的机理，为探索蛋白质功能区域在溶液中如何与水分子相互作用进而执行生命功能提供理论支持，对蛋白质结构与功能相关研究工作具有重要的意义。

在低温环境生存的生物体内有一类称为抗冻蛋白的蛋白质，这类蛋白质可以吸附结合到冰晶的表面并非依数性的降低冰晶生长点温度。由抗冻蛋白的影响而形成的冰晶熔点与生长点温度的差异称为热滞。目前，关于抗冻蛋白产生热滞现象的研究已有广泛开展，但热滞活性的机理仍不清晰。项目研究组在本项目基金资助下开展并完成了部分关于抗冻蛋白热滞活性的理论研究。.在有高热滞活性的抗冻蛋白存在的溶液中，冰晶生长和熔化时所呈现的形态是近似为椭球体这与冰晶在没有抗冻蛋白影响的情况下的形态有显著的区别。项目组将一种描述晶体生长和熔化中晶体边界演化的模型拓展为三维情况，并应用此三维模型分析了抗冻蛋白溶液中冰晶界面演化规律，合理的解释了冰晶在高热滞活性抗冻蛋白溶液中生长和熔解过程中的形态演化，与实验观测结果符合。该模型为深入理解高热滞活性抗冻蛋白与冰晶表面的相互作用提供了一个思路。.由蛋白质数据库基本信息构建了抗冻蛋白数据集。综合抗冻蛋白氨基酸序列信息，二肽组分信息，氨基酸约化物理化学特性，基因本体信息，基因进化信息，平均化学位移信息等因素，利用生物信息学方法提出了一种抗冻蛋白识别方法。并将类似方法应用于生物发光蛋白预测和蛋白质亚线粒体定位等生物信息学研究都取得了较好的结果。.项目组将一种描述一维情况下配体与蛋白质不可逆结合过程的模型发展到二维，并利用此方法分析了抗冻蛋白与冰晶表面的结合过程，得到了在不同条件下抗冻蛋白在冰晶表面的覆盖度和平衡结构，与实验结果符合。将此模型应用于一种高热滞活性的昆虫抗冻蛋白(TmAFPs)热滞活性的分析，得到了在不同浓度条件下热滞活性随时间的变化规律，得到的结果与实验符合较好。根据抗冻蛋白吸附结合到冰晶表面并影响冰晶表面局部几何形貌的模型，提出了一个蝉翼表面纳米几何结构抗菌特性的理论模型，解释了其抗菌机制。