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Fully Atomistic Molecular Dynamics Simulation of Ice Nucleation Near an Antifreeze Protein

化学 抗冻蛋白 分子动力学 成核 冰核 化学物理 动力学(音乐) 计算化学 有机化学 生物化学 物理 声学
作者
Yue Zhang,Ning Wei,Liwen Li,Yuan Liu,Changxiong Huang,Zhen Li,Yujie Huang,Dengsong Zhang,Joseph S. Francisco,Junhua Zhao,Chunlei Wang,Xiao Cheng Zeng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c15210
摘要

Heterogeneous ice nucleation is a widespread phenomenon in nature. Despite extensive research on ice nucleation near biological antifreeze proteins, a probe for ice nucleation and growth processes at the atomic level is still lacking. Herein, we present simulation evidence of the heterogeneous ice nucleation process on the ice-binding surface (IBS) of the Tenebrio molitor antifreeze protein (TmAFP). Our all-atomistic molecular dynamics simulations reveal detailed steps toward precritical nucleus formation from one-dimensional (1D) channel water to a 2D ice nanolayer and, finally, a 3D ice nucleus. Compared with homogeneous ice nucleation under the same supercooling conditions, the IBS of TmAFP can markedly reduce the critical size of the ice embryo and lower the nucleation free energy barrier, thereby favoring ice nucleation. Additionally, through artificial mutation of selected functional groups on the IBS, we gain deeper insights into how the specific functional groups of the IBS affect ice nucleation. We highlight that the carbonyl groups in the backbone play a crucial role by providing fixed locations for channel water. This function is essential for ensuring alignment between the 2D ice nanolayer and the ice lattice structure.

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