Hoe overleven insecten de strenge noordelijke winters? In tegenstelling tot zoogdieren, ze hebben geen dikke vachten om warm te blijven. Maar ze hebben wel antivries. Antivries-eiwitten (AFP's) voorkomen dat ijs zich vormt en zich in hun lichaam verspreidt.

Het bestaan ​​van deze AFP's is al tientallen jaren bekend, maar de mechanismen die deze unieke overlevingstechniek beheersen, zijn moeilijk te bepalen. Een nieuwe studie gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences door onderzoekers van de Universiteit van Utah en de Universiteit van Californië, San Diego laat zien hoe AFP's werken en geeft ook richting aan toekomstig onderzoek.

IJs herkennen voordat het ijs is

AFP's voorkomen dat water bevriest door kleine ijskristallen te omringen en snel te binden, waar het water zich al in een ijsrooster heeft weten te ordenen. Onbeheerd achter gelaten, deze kristallen zouden anders als zaden fungeren en hun ordening blijven verspreiden naar naburige watermoleculen. De heersende hypothese voor hoe AFP's dit mechanisme stoppen, is het vooraf bestellen van een ijsachtige laag water nabij de plaats van het eiwit dat zich aan het ijsoppervlak bindt. Echter, voornamelijk vanwege de moeilijkheid om dit kleine gebied in experimenten te isoleren van het omringende ijs en water, dit moest nog worden bewezen, zegt de Amerikaanse chemieprofessor Valeria Molinero.

Focussen op de AFP van de meelwormkever, Tenebrio molitor ( Tm AFP), de studie was bedoeld om deze hypothese te testen door middel van theoretische methoden bij verschillende resoluties van ruimte en tijd. Molinero is gespecialiseerd in het simuleren van ijs op grotere schaal en paste deze expertise toe op een systeem met Tm AFP in water dat een ijsoppervlak nadert. Met deze opstelling, zij en haar promovendus Arpa Hudait zagen het eiwit langzaam boven het ijsoppervlak tuimelen. Ze ontdekten dat om zich aan het ijs vast te klampen, alle Tm AFP vereist is om evenwijdig aan het oppervlak te zijn.

belangrijk, echter, deze verankering vereiste geen voorafgaande bestelling van het water in een ijsachtige structuur. "De langzame beweging van het eiwit om evenwijdig aan het ijsoppervlak te zijn, wordt onmiddellijk gevolgd door een snelle heroriëntatie van het nabijgelegen water om het eiwit aan het ijs te binden, " zegt Hudait. Bij insecten zoals de meelwormkever, deze binding van veel AFP's aan zich ontwikkelende ijskristallen voorkomt verdere kristallisatie van ijs in hun lichaam.

Hoe het te zien gebeuren?

Maar Molinero's methoden misten de nauwkeurigheid die nodig is om spectroscopische voorspellingen te doen van hoe de bindingsgebeurtenis eruit zou zien voor spectroscopische instrumenten. Met zijn zeer nauwkeurige watermodel, Francesco Paesani van UCSD, en zijn postdoctoraal onderzoeker, Daniël Moberg, werkte samen met Molinero en haar team om zowel de infrarood- als de Raman-spectra met ongekende nauwkeurigheid te berekenen. "Simulaties hebben het voordeel dat ze elke gewenste regio kunnen isoleren, hoewel dit alleen nuttig is als de onderliggende theorie nauwkeurig genoeg is, " legt Paesani uit.

Dit was de eerste studie waarbij het signaal werd bepaald van alleen de structuren die het eiwit aan het ijsoppervlak verankeren. clathrates genoemd. "Onze resultaten laten zien dat het onwaarschijnlijk is dat infraroodspectroscopie veel informatie zal opleveren over de verankerde clathraatstructuur, " zegt Moberg. "Raman-spectroscopie, echter, zou verschillen moeten laten zien als experimentatoren het signaal kunnen isoleren van de bindingsplaats of verankerd clathraat."

De bevindingen kunnen inzicht geven in studies van ijskiemvormende eiwitten in de atmosfeer, die de tegenovergestelde taak uitvoeren en een rol spelen bij de vorming van ijskristallen in wolken. "We voorspellen dat pre-ordering zou kunnen ontstaan ​​op de grote oppervlakken van geaggregeerde ijs-kiemvormende eiwitten, waar het de tegenovergestelde rol kan dienen van het helpen bij ijskiemvorming in wolken, ' zegt Molinero.

Er is een wijdverbreide interesse in het leren nabootsen van het antivriesmechanisme van AFP's, zij voegt toe, met toepassingen van orgelconservering tot vlakontdooiing. "Er is een grote potentiële markt voor antivries op basis van hetzelfde mechanisme, maar als je het mechanisme niet begrijpt, is het moeilijk om moleculen te definiëren en te optimaliseren."