In de microzwaartekrachtexperimenten in het International Space Station (ISS), wetenschappers onthulden dat onderkoeld water dat antivries-glycoproteïnen bevat, de groeisnelheid van ijskristallen versnelt en oscilleert. Dit schijnbaar tegenstrijdige resultaat kan leiden tot een beter begrip van het mysterieuze antivrieseffect in levende organismen.

Vissen kunnen zelfs in omgevingen onder nul overleven, zoals onder ijsschotsen. Onderzoekers hebben de hypothese geopperd dat wanneer glycoproteïnen in vissenbloed worden geabsorbeerd op het oppervlak van ijskristallen, het remt de groei van ijskristallen. Het verifiëren van de functies van deze glycoproteïnen vereist nauwkeurige metingen van de normale groeisnelheden van kristallen in de loop van de tijd. Toch is dit op aarde moeilijk te doen vanwege de natuurlijke convectieve stroming rond het groeiende kristal, veroorzaakt door de zwaartekracht.

De onderzoekers, onder leiding van Hokkaido University Professor Emeritus Yoshinori Furukawa, hoopte de microzwaartekrachtcondities van de ruimte te gebruiken om de normale groeisnelheden van kristalvlakken nauwkeurig te meten, aangezien convectieve stroming niet voorkomt in deze omgeving.

Om de experimenten op het ISS uit te voeren, Het Institute of Low Temperature Science van de Hokkaido University en JAXA hebben gezamenlijk Ice Crystal Cell 2 ontwikkeld, een apparaat voor het meten van de snelheid van de groei van ijskristallen in de ruimte. Eenmaal geïnstalleerd in de Japanse experimentmodule KIBO, experimenten werden uitgevoerd door het apparaat te besturen met behulp van signalen van de grond.

De onderzoekers voerden 124 experimenten uit, waarvan er 22 werden geacht nauwkeurig de groeisnelheid van ijskristallen te hebben gemeten in onderkoeld water dat een glycoproteïne-onzuiverheid bevatte. De resultaten toonden aan dat de onderste basale vlakken van de ijskristallen drie tot vijf keer sneller groeiden dan in zuiver water. IJskristallen vertoonden ook periodieke oscillaties terwijl ze groeiden. "De resultaten waren in tegenstelling tot wat werd verwacht, omdat het glycoproteïne de groei van ijskristallen faciliteerde, in plaats van het te beteugelen, ", zegt Ken Nagashima van het onderzoeksteam.

Wat, dan, verklaart het antivrieseffect van glycoproteïne? De onderzoekers ontdekten het lastige proces waarbij platte kristalvlakken met hoge groeisnelheden werden afgekapt door gezichten met langzamere groeisnelheden, waardoor het veelvlakkige kristal wordt omgeven door alleen platte vlakken met de laagste groeisnelheden. Hierdoor werd de groei van de ijskristallen sterk afgeremd.

"Onze resultaten suggereren dat het voorkomen van bevriezing in levende organismen niet alleen kan worden verklaard door het groeidepressie-effect van glycoproteïnen. Met andere woorden, het nieuwe mechanisme dat we hebben waargenomen, is essentieel om te voorkomen dat levende organismen bevriezen, " zegt Nagashima. "De functie van glycoproteïnen in de groei van ijskristallen is nauw verbonden met hoe biopolymeren de groei van verschillende anorganische kristallen reguleren. Een beter begrip hiervan kan leiden tot het ontstaan ​​van nieuwe materialen, " hij voegde toe.