当人体细胞被冷冻至-196℃时，冰晶会像“微型刀片”般刺破细胞膜——这是器官移植、干细胞治疗等生物医学领域长期面临的致命难题。近日，天津大学科研团队在《Engineering》发表研究，通过模拟南极细菌抗冻蛋白的“分子乐高”，设计出新型抗冻肽AVD。实验显示，添加AVD的冷冻细胞复苏率最高达95.7%，比传统方法提升3倍。这项技术或为器官冷冻保存、细胞治疗等领域提供关键解决方案。

自然界的启示：南极细菌如何对抗“冰晶杀手”？

在极地环境中，南极细菌通过分泌抗冻蛋白（IBPs）抑制冰晶生长，这类蛋白表面具有重复排列的“钩状结构”，可精准匹配冰晶表面原子间距，形成“分子盾牌”。然而天然抗冻蛋白存在成本高、免疫排斥等缺陷。研究团队从233种抗冻蛋白中筛选出51种含重复基序的样本，通过进化树分析和分子动力学模拟，锁定关键氨基酸排列规律。“这就像破译自然界的抗冻密码，找到最精简有效的分子组合。”论文通讯作者张磊解释。

AVD设计：用“分子乐高”搭建冰晶盾牌

研究团队最终设计的AVD肽链仅含20个氨基酸，其核心是Thr6和Asn8两个关键位点，两者间距7.8埃（约为头发丝直径的十万分之一），恰好匹配冰晶棱柱面的氧原子间距。分子模拟显示，AVD能嵌入冰晶生长界面，使冰晶增速降低60%（图4）。更巧妙的是，Ser18位点通过氢键形成“辅助锁”，将结合稳定性提升40%。这种设计使AVD在浓度仅为1毫克/毫升时，冰晶面积抑制效果达到天然抗冻蛋白的86%。

冷冻实验：肺癌细胞复苏率从30%跃升至95%

在零下80℃冷冻实验中，AVD展现出双重防护机制：既抑制冰晶生长，又稳定细胞膜钙离子通道。使用AVD冷冻的肺癌细胞（GLC-82）复苏率达95.7%，比未添加组提升3.1倍；免疫细胞（RAW264.7）复苏率从2.4%提升至34.9%（图5）。显微镜下，经AVD保护的细胞线粒体结构完整，增殖能力与新鲜细胞无差异。“这相当于给细胞穿上纳米级防冻服，既防外部冰晶穿刺，又维持内部离子平衡。”张磊比喻道。

技术争议：百元成本的肽链何时能普及？

尽管AVD效果显著，但其工业化仍面临挑战。目前化学合成1克AVD成本约500元，而冷冻一份细胞样本需10毫克，折合单次成本5元。相比之下，常用冷冻保护剂二甲基亚砜（DMSO）成本仅为0.1元，但会引发细胞毒性。研究团队表示，正在开发生物合成工艺，目标将成本降低80%。此外，AVD对心肌细胞等特殊细胞类型的保护效果仍需验证。

目前，该团队已与多家生物医药企业合作，探索AVD在卵母细胞冷冻、皮肤组织保存等场景的应用。随着全球生物样本库规模突破3.8亿份，这项技术或将成为突破冷冻医学“最后一道冰障”的关键钥匙。

来源: Engineering