DFT赋能冷冻保护剂研发，为低温保存提供新策略
发布时间：
2025-07-11
俄罗斯科研团队近日发表突破性成果，通过密度泛函理论（DFT）计算结合实验验证，成功揭示蔗糖分子在低温保存中的分子机制，为生物样本冻干工艺优化和低温保存提供了全新策略。该研究不仅解决了冰晶损伤这一长期困扰低温生物学的难题，更开创了“理论计算指导实验设计”的跨学科研究范式。
在生物样本低温保存领域，冰晶形成导致的细胞损伤始终是核心挑战。传统冷冻保护剂如二甲亚砜（DMSO）虽能降低冰点，但存在毒性风险，而糖类保护剂的选择缺乏科学依据。俄罗斯团队创新性地运用DFT计算，在B3LYP-D3/def2-SVP理论水平上精确分析了蔗糖等分子的氢键作用机制。研究发现，蔗糖分子中密集的羟基能形成比纯水更强的氢键网络（键能达25-30 kJ/mol），构建出稳定的动态水合壳，有效阻碍冰晶生长。
实验验证显示，12%蔗糖溶液处理的凝结芽孢杆菌和嗜热链球菌，在-18°C至-80°C冻存条件下存活率提升3倍。研究团队进一步优化了梯度降温程序：-18°C阶段形成的较小冰晶能减少机械损伤，而快速转移至-80°C则有效抑制了冰晶重结晶现象。这种两步冷冻法已成功应用于俄罗斯工业微生物保藏中心，菌种存活率显著提高，未来有望拓展至干细胞和疫苗的低温保存领域。
这是首次将DFT电子密度分析应用于冷冻保护剂筛选。论文通讯作者Michael Nosonovsky教授指出，“DFT计算就像低温生物学的GPS导航，它能让我们在复杂的分子相互作用迷宫中，快速定位最优的冷冻保护路线。”
专家认为，这项发表在《Cryobiology》的研究为冷冻保护机制研究领域增添了重要的理论基石，具有里程碑意义。DFT理论的应用将加速低毒高效保护剂的开发，未来有望拓展至干细胞、疫苗等高价值生物材料的低温保存领域。随着计算生物学的快速发展，该技术或将成为生物样本长期保存的核心技术。
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