名古屋工業大學開發出具不凍作用的三聯苯分子

 

刊登日期:2024/10/9
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生存於南、北極等極寒環境下的動植物體內擁有控制結冰的不凍物質,抑制其體內冰的形成與成長。日本名古屋工業大學開發出可與天然不凍蛋白質匹敵之對聯三苯(p-Terphenyl)分子,這項成果可望協助解開在極寒環境下存活之生物的不凍機制,並可望應用於冷凍食品的品質維持、化妝品的組織保濕、醫療相關細胞與器官的冷凍保存、低溫環境運作之產業機器的開發等領域,但此物質目前尚難以化學合成,只能使用天然來源的抽取物。

名古屋工業大學與新創公司KUREi、西班牙瓦倫西亞大學組成的研究團隊從既往的不凍物質研究中發現α螺旋(Alpha helix)結構與不凍效果有所關聯,因此將焦點投向具有α 螺旋結構的p-Terphenyl分子。p-Terphenyl分子中的3個環配置了3個取代基,進而形成了α 螺旋結構。研究團隊以此理論為基礎模仿了α螺旋結構,設計出具有親水部分與疏水部分的p-Terphenyl化合物。具體而言是在p-Terphenyl的核心部兩側以不同長度的碳鏈將4個胍單位(Guanidine Unit)結合。為進行比較實驗,研究團隊製作出碳鏈長度各異的5種p-Terphenyl Guanidine化合物,並進行了冰晶再結晶阻礙作用(IRI活性)的測試。結果顯示這5種p-Terphenyl Guanidine化合物全都具有不凍活性,尤其是具有1個碳的Guanidinyl部位的p-Terphenyl Guanidine展現出最強大的IRI活性。

此外,研究團隊利用密度泛函理論(DFT)進行分子動力學的模擬以解開p-Terphenyl Guanidine的不凍作用機制。經模擬發現Terphenyl Guanidine分散到水中後,親水性部分與疏水性部分會空間性地分開,水分子被親水性面強烈吸引。此外,Terphenyl Guanidine受到部分質子化,由此產生的部分電荷偏差(Bias)導致庫倫引力促使親水部分與疏水部分如同明確地分開般地讓分子變形,進而提高了不凍作用。再者,依碳鏈長度差異,Guanidine的質子化狀況與穩定形狀也會有所不同。研究團隊表示,由於可藉由化學結構簡單之p-Terphenyl的分子設計開發出具有優異不凍作用的物質,今後進一步透過分子結構或合成方法的改良,將可望開發出更強大、更多樣化的人工不凍物質。


資料來源: https://www.nitech.ac.jp/news/press/2024/11403.html
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