Hyperactive Antifreeze Proteins Promote Ice Growth before Binding to It

抗冻蛋白 冰晶 防冻剂 化学 吸附 化学工程 生物化学 生物物理学 生物 有机化学 物理 气象学 工程类
作者
Shaoli Cui,Weijia Zhang,Xueguang Shao,Wensheng Cai
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:62 (21): 5165-5174 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.1c00915
摘要

The antifreeze mechanism of antifreeze proteins (AFPs) evolved by organisms has been widely studied. However, detailed knowledge of the synergy between AFPs and ice crystals still remains fragmentary. In the present contribution, the cooperative effect of the hyperactive insect antifreeze protein TmAFP and ice crystals on the interfacial water during the entire process of inhibiting ice growth is systematically investigated at the atomic level and compared with its low activity mutant and a nonantifreeze protein. The results indicate a significant synergy between TmAFP and ice crystals, which enables the TmAFP to promote the ice growth before adsorbing on the surfaces of the ice crystals, while the mutant and the nonantifreeze protein cannot promote the ice growth due to the lack of this synergy. When TmAFP approaches the ice surface, the interfacial water is induced by both the AFP and the ice crystals to form the anchored clathrate motif, which binds TmAFP to the ice surface, resulting in a local increase in the curvature of the ice surface, thereby inhibiting the growth of ice. In this study, three stages, namely, promotion, adsorption, and inhibition, are observed in the complete process of TmAFP inhibiting ice growth, and the synergistic mechanism between protein and ice crystals is revealed. The results are helpful for the design of antifreeze proteins and bioinspired antifreeze materials with superior performance.

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