基于密度泛函理论(DFT)的冷冻保护剂评价及其在冻干工艺优化中的作用

【编辑推荐】冷冻干燥技术中冰晶损伤是生物样本保存的关键难题。俄罗斯科研团队通过密度泛函理论(DFT)计算结合实验验证，发现12%蔗糖溶液能形成稳定水合壳，显著提升凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)和嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)在-18°C至-80°C冻存中的存活率，为生物医药低温保存提供新策略。

　　

在生物样本的低温保存领域，冰晶就像一把双刃剑——它们既是冻干技术(Lyophilization)实现脱水的关键介质，又是造成细胞膜破裂、蛋白质变性的"隐形杀手"。当水分子在零下温度中排列成冰晶时，其膨胀作用会直接刺穿细胞结构，这种现象在保存细菌培养物时尤为致命。传统冷冻保护剂(CPAs)如二甲亚砜(DMSO)虽能降低冰点，但存在细胞毒性风险，而常见的糖类保护剂又缺乏精准的选择依据。俄罗斯科研团队另辟蹊径，将量子化学计算方法引入低温生物学研究，通过密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)这把"分子尺子"，揭开了不同糖类分子保护细菌的神秘面纱。

研究团队采用DFT计算与实验验证相结合的策略。首先在B3LYP-D3/def2-SVP理论水平上优化了蔗糖、呋喃果糖等分子的几何结构，通过电子密度分布分析揭示其与水分子的氢键作用机制。随后以凝结芽孢杆菌MTCC 5856和嗜热链球菌B-2094为模型，比较不同CPA处理后的菌体存活率，并优化了从-18°C初冻到-80°C终冻的梯度降温程序。

【Results and discussion】部分显示，DFT计算成功预测了蔗糖的卓越表现：其分子中密集的羟基(-OH)形成电子密度"热点"，能与水分子建立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。实验数据证实，12%蔗糖溶液处理的细菌在冻干后存活率提升3倍，这与其-18°C时最低的吉布斯自由能变(ΔG_solv=-15.2 kcal/mol)高度吻合。研究还发现梯度降温法中，-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。

【Conclusion】部分强调，该研究首次将DFT计算的电子密度分析应用于CPA筛选：蔗糖分子中每个单糖单元可结合多达14个水分子，形成的三维氢键网络能有效阻碍冰晶生长。这种理论指导实验的策略将传统试错型研究效率提升40%，为开发低毒高效的生物保护剂提供了新范式。论文中建立的-18°C/-80°C两步冷冻法，已成功应用于俄罗斯工业微生物保藏中心的菌种库建设，未来有望拓展至干细胞和疫苗的低温保存领域。

这项由俄罗斯科学基金会资助的研究(项目号23-16-00224)，通过量子化学与实验生物学的跨界融合，不仅破解了蔗糖低温保护的分子密码，更开创了"计算指导-实验验证"的低温生物研究新路径。正如通讯作者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。"该成果为《Cryobiology》期刊在冷冻保护机制研究领域增添了重要的理论基石。