抗冻蛋白是生命体在低温环境中演化出的关键适应性产物，能够通过抑制冰晶生长有效防止细胞与组织冻伤，堪称天然的“抗冻剂”。该类蛋白自鱼类中发现后，已在昆虫、植物及微生物等多种生物中被确认，其中极地微生物长期生存于冰冻环境且种类丰富，成为发掘新型高效抗冻蛋白的重要来源，其在细胞冷冻保存、食品冷冻保鲜与低温生物学研究等领域展现出广阔的应用前景。

      近日，极地中心极地环境监测中心廖丽研究员课题组在北极海冰细菌Marinomonas arctica中发现并鉴定了一种新型非典型抗冻蛋白MaIBP_RIV，揭示了南北两极抗冻蛋白趋同进化现象，并评估了其在低温保护中的高效潜力，为绿色低温保存技术提供了新选择。相关成果在线发表于《International Journal of Biological Macromolecules》。论文题目为“Convergent evolution of a non-canonical bacterial antifreeze protein from Arctic sea ice offers a blueprint for eco-friendly cryopreservation”，第一作者与共同通讯作者为廖丽研究员。

      课题组前期从北极海冰中分离的Marinomonas arctica BSI20414菌株中检测出一个巨型黏附蛋白MaIBP，在本研究中深入解析了其中的冰结合结构域MaIBP_RIV，揭示其具有独特的β-螺旋结构，且其冰结合表面不含该类抗冻蛋白中常见的苏氨酸残基，展现出非典型的冰结合面特征（图1a）。研究人员通过热滞活性、冰重结晶抑制、单冰晶形态观察及荧光冰面亲和实验（图1b~d），系统验证了MaIBP_RIV的抗冻功能。实验表明，MaIBP_RIV在1 mg/mL浓度下热滞活性达1.03°C，并具有显著的冰重结晶抑制能力。

      为进一步探索其结构与功能关系，研究团队构建了多个点突变体。其中，G63S突变使抗冻活性提升约40%，而G63D突变则几乎完全丧失活性，揭示了冰结合表面残基的化学特性对蛋白功能的精细调控机制。结构预测与分子动力学模拟显示，G63S通过优化表面平整度和氢键稳定性增强了与冰面的结合能力，而G63D则因引入负电荷导致结构失配（图1e）。

      在应用层面，MaIBP_RIV及其活性突变体在极低浓度（0.05 mg/mL）下与5%二甲基亚砜（DMSO）联用，即可实现对微生物、小鼠成纤维细胞（3T3）和人肺癌细胞（A549）的高效冷冻保护，其存活率与10% DMSO相当，同时显著降低了DMSO的细胞毒性，展现出良好的生物相容性与应用潜力（图2）。

      该研究不仅揭示了北极海冰Marinomonas菌抗冻蛋白的特性，拓展了微生物抗冻蛋白的多样性与机理认知，也为开发低毒、高效的生物冷冻保护剂提供了新的分子蓝本，具有重要的基础研究价值与应用前景。

      本研究第一单位为极地中心，合作单位包括上海交通大学、上海理工大学、上海科技大学、江南大学、潍坊大学。本研究得到了国家重点研发计划（2022YFC2807501）和国家自然科学基金（52076140）的资助。

课题组在该方向取得的相关成果如下：

1. Li Liao*, Siqi Zhang, Ruyi Yang, Yanyan Shan, Shanhui Gao, Yi Xu*, Qiong Wang, Yue Zhang, Zhaoru Sun, Yucong Liao. Convergent evolution of a non-canonical bacterial antifreeze protein from Arctic Sea ice offers a blueprint for eco-friendly cryopreservation. International Journal of Biological Macromolecules. 2025. 10.1016/j.ijbiomac.2025.148773

2. Li Liao*, Shanhui Gao, Yi Xu, Shiyuan Su, Jiao Wen, Yong Yu, Bo Chen. Complete genome sequence of Marinomonas arctica BSI20414, a giant antifreeze protein-producing bacterium isolated from Arctic sea ice. Marine Genomics. 2021. 57: 100829. 10.1016/j.margen.2020.100829.

3. 国家发明专利“极地细菌抗冻蛋白优化改造方法与功能应用（ZL 2024 1 0675370.9）”，发明人：廖丽。

4. 国家发明专利“一种抗冻蛋白及其制备方法和应用（ZL 2021 1 0295775.6）”，发明人：廖丽，高山惠，陈波，胥义。

来源：中国极地研究中心（中国极地研究所）