多肽结合冰形成抗冻蛋白的技术突破！

冰结合蛋白(IBP)(也称为抗冻蛋白(AFP))是嗜冷物种产生的一种进化机制，以使其能够在零下的气候中生存。这些蛋白质实现了显著的分子识别能力，在存在大量过量水的情况下，选择性地结合冰，诱导宏观热滞特性(冰点的非平衡降低)，冰重结晶抑制(IRI)和动态冰成形，这些都是大分子-冰相互作用的特征。

一直以来，开发模拟天然冰结合蛋白(IBPs)性质的分子都是一项艰巨的挑战。来自瑞士的研究团队就IBP相关进行研究，并在NATURE上发表其研究成果“A minimalistic cyclic ice-binding peptide from phage display”，报告了合成IBP模拟物开发的一种概念性替代方法。

这项研究不依赖已有的IBPs结构-性质关系，报告了利用噬菌体展示(一种生物学的组合发现工具)鉴定IBPs的短肽模拟物。为此，开发了一种冰亲力和选择方案，该方案能够选择仅包含14个氨基酸的环状冰结合肽。在突变分析中确定了三个残基，Asp8、Thr10和Thr14，这些残基被发现对于冰的结合至关重要。分子动力学模拟表明，Thr10的侧链与冰疏水结合，揭示了潜在的机制。为了证明该肽的生物技术潜力，将其表达为与mCherry的融合，并用于直接从细胞裂解物中纯化蛋白质。

噬菌体展示

由于噬菌体展示过程的起点是随机化的肽库，因此该策略极大地扩展了可以筛选潜在的冰结合肽的多样性空间。这可能有助于提供进一步的洞察力，以了解控制IBP属性的关键结构决定因素。此外，噬菌体展示通常产生由天然氨基酸组成的短肽，这也可以增强这些化合物的合成可及性。

噬菌体展示允许高亲和力，短肽配体的发现抗多种蛋白质底物的。多年来，该技术的范围不断扩大，噬菌体展示已成功地用于鉴定短肽配体，该配体可以选择性地与其他靶标结合，包括金属，半导体，陶瓷以及一系列生物和合成聚合物。

肽的冰重结晶活性

然而，由于冰具有动态界面，因此它是极具挑战性的目标基材。冰在水中形成，并且不断增长/融化。解开并了解IBP和冰之间的相互作用，不仅具有根本的意义，而且还可以帮助确定设计原则，这些原则有助于模拟IBP的冰结特性的合成材料的开发。

肽的冰成形分析

综合看来，这项研究利用噬菌体展示技术成功地鉴定了一个由14个氨基酸组成的环冰结合肽。通过结合冰结合活性研究与核磁共振和建模工具，确定了该肽具有环状结构和冰结合所必需的三个残基。这里提出的策略补充了传统的从头设计方法的冰结合肽。由于噬菌体展示的冰亲和性选择过程是从随机肽库开始的，因此可以为潜在的冰结合肽筛选出广阔的多样性空间。在噬菌体展示的帮助下可以鉴定的短肽可能有助于进一步深入了解控制IBPs特性的关键结构决定因素。此外，由于噬菌体展示通常会产生由天然氨基酸组成的短肽，因此该策略也可能增强新型冰结合肽的合成可及性。

参考文献： Stevens, C.A., Bachtiger, F., Kong, XD. et al. A minimalistic cyclic ice-binding peptide from phage display. Nat Commun12, 2675 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22883-w