结合冰的分子阻止冰的生长起到天然防冻剂的作用

某些分子与冰的表面紧密结合,形成弯曲的界面,可以阻止冰的进一步生长。一些昆虫,植物和海洋生物含有这种蛋白质分子,它们充当天然的防冻剂,使生物体能够承受冰冻温度。

在《化学物理学杂志》中,科学家报告了一种计算方法,该模型使用偏向技术来驱动冰的形成,从而模拟冰的结合。

抗冻蛋白通过与冰和液态水之间现有的界面结合而起作用。产生的弯曲表面阻止了冰的生长。也有冰核分子催化过冷液态水形成冰。

两种现象都需要了解分子与冰结合的方式。了解冰的结合对于诸如冷冻保存器官和气候模型等多种应用很重要,但是迄今为止,还没有有效的方法可以有效地模拟这种现象。

作者Valeria Molinero说:“偏冰模拟方法的主要优势在于,它可以同时识别冰层的表面,冰层的结合面和结合方式。”

研究人员创建了两种类型的模型。一种类型是全原子模型,其中包含水的液相和冰相以及防冻型分子中的所有原子。研究的另一种类型的模型称为粗粒度模型,该模型通过将原子混合到更简单的结构中来节省计算资源。

这项研究研究了许多与冰结合的分子,包括聚乙烯醇,一种合成的冰再结晶抑制剂以及天然的防冻蛋白,例如甲虫黄粉虫的一种。蛋白质具有非常小的结合冰的表面,因此面临着模拟挑战。这限制了它们可以结合的冰晶的大小。

一些系统拥有多个可以结冰的位置。海冰硅藻Frailariopsis cylindrus中的天然抗冻蛋白就是这种情况。为了确定这种蛋白质是否具有多个冰结合表面(IBS),研究人员开发了一种称为“帽盖重复”的方法。

Molinero说:“在这种策略中,我们首先进行了偏差模拟以检测IBS。然后,我们对IBS进行了封盖,以防止在其上结冰,并进行了第二次偏差模拟以发现其他地方是否结冰。”

这项研究中开发的方法在许多应用中显示出巨大的希望,包括找到在存储过程中保护冷冻组织的分子,进一步了解天然抗冻蛋白,以及在气候模型中,大气中的冰核起着关键作用。

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