劉忠范

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871)

氧化石墨烯控制冰晶生長(zhǎng)并應(yīng)用于低溫細(xì)胞保存

劉忠范

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871)

(1) Rubinstein,P.;Dobrila,L.;Rosenfield,R.E.;Adamson,J.W.;Migliaccio,G.;Miqliaccio,A.R.;Taylor,P.E.;Stevens,C.E.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.1995,92(22),10119.doi:10.1073/ pnas.89.19.8953

(2) Carpenter,J.F.;Hansen,T.N.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.1992,89(19),8953.doi:10.1073/pnas.89.19.8953

(3) Gao,D.Y.;Mazur,P.;Kleinhans,F.W.;Watson,P.F.;Noiles,E. E.;Critser,K.Cryobiology1992,29(6),657.doi:10.1016/0011-2240(92)90068-D

(4) Yeh,Y.;Feeney,R.E.Chem.Rev.1996,96(2),601.doi:10.1021/ cr950260c

(5)Raymond,J.A.;Fritsen,C.;Shen,K.FEMS Microbiol.Ecol.2007,61(2),214.doi:10.1111/j.1574-6941.2007.00345.x

(6) Liu,K.;Wang,C.;Ma,J.;Yao,X.;Fang,H.P.;Song,Y.L.;Wang,J.J.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2016,doi:10.1073/ pnas.1614379114

(7) Liou,Y.C.;Tocilj,A.;Davies,P.L.;Zongchao,J.Nature2000,406(6793),322.doi:10.1038/35018604

(8) Knight,C.A.Nature2000,406(6793),249.doi:10.1038/35018671

(9) Geng,H.Y.;Liu,X.;Shi,G.S.;Bai,G.Y.;Ma,J.;Chen,J.B.; Wu,Z.Y.;Song,Y.L.;Fang,H.P.;Wang,J.J.Angew.Chem.Int. Ed.2016,doi:10.1002/anie.201609230

10.3866/PKU.WHXB201612211

低溫冷凍保存是20世紀(jì)70年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種在低溫或超低溫條件下保存生物大分子、細(xì)胞、組織和器官等生物材料的技術(shù)1，能夠有效保證生物材料的遺傳和形態(tài)穩(wěn)定性，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。雖然采用程序控溫保證了冷凍過(guò)程中產(chǎn)生無(wú)定形冰晶，避免了冰晶的傷害；但是在復(fù)蘇過(guò)程中，冷凍保存液、細(xì)胞和生物組織內(nèi)部的冰晶會(huì)持續(xù)生長(zhǎng)損傷保存對(duì)象，而冰晶損傷是低溫冷凍保存中對(duì)保存對(duì)象造成的最主要的傷害2。目前主要是通過(guò)調(diào)整冷凍保存液的組成來(lái)盡量減少冰晶的形成和重結(jié)晶，比如通過(guò)加入甘油、二甲基亞砜等小分子。但是，這些分子抑制冰晶重結(jié)晶效率低，而且使用后無(wú)法全部去除；高濃度的抑制劑還會(huì)改變細(xì)胞膜外滲透壓導(dǎo)致細(xì)胞脫水，對(duì)細(xì)胞構(gòu)成很大的危害3?？箖龅鞍资巧钣诤涞貐^(qū)的生物體為適應(yīng)低溫環(huán)境而產(chǎn)生的一類能避免冰凍對(duì)生物體造成危害的蛋白質(zhì)4；抗凍蛋白能夠有效地降低結(jié)冰溫度，抑制冰晶生長(zhǎng)和重結(jié)晶5?？箖龅鞍椎淖饔脵C(jī)制主要在于這類蛋白的冰吸附面(ice binding face)上親疏水相間官能團(tuán)的有序排列6，使其表面形成類冰水，能夠選擇性吸附到冰晶表面，抑制冰晶的生長(zhǎng)7。

受到抗凍蛋白的啟發(fā)，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所王健君研究員課題組和中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用物理研究所方海平研究員課題組合作，根據(jù)氧化石墨烯(GO)特有的碳骨架結(jié)構(gòu)，開(kāi)展了 GO 調(diào)控冰晶生長(zhǎng)的研究。研究發(fā)現(xiàn)GO不但能有效地抑制冰晶生長(zhǎng)和重結(jié)晶，而且能修飾冰晶形貌。分子動(dòng)力學(xué)的模擬結(jié)果顯示GO表面具有穩(wěn)定的類冰水，使得GO更傾向于與固態(tài)的冰形成穩(wěn)定氫鍵，從而在大量液態(tài)水存在的條件下能夠選擇性吸附到冰晶的表面。GO吸附到冰晶表面后，在GO間冰晶形成曲面，通過(guò) Gibbs-Thompson 效應(yīng)抑制冰晶生長(zhǎng)8。

他們也首次將GO應(yīng)用于低溫冷凍保存細(xì)胞。當(dāng)選用GO作為冷凍保存劑時(shí)，與商業(yè)化的抗凍劑相比，GO展現(xiàn)出了非常優(yōu)異的冷凍保存效果，加入 0.01%(w，質(zhì)量分?jǐn)?shù))的 GO 即可將馬精子活力從24.3%提高到 71.3%。這一研究發(fā)現(xiàn)不但拓展了二維材料的應(yīng)用領(lǐng)域，而且大大加深了人們對(duì)冰晶形成 分 子 層 面 的 理 解 。 該 工 作 發(fā) 表 在Angewandte Chemie International Edition上9。