bacteriën, planten, insecten en vissen gebruiken antivries-eiwitten om zich tegen de kou te beschermen. De eiwitten blokkeren de groei van ijskristallen. In een nieuwe studie, een Duits-Israëlisch onderzoeksteam heeft bevestigd dat deze eiwitten ook een ongebruikelijke tweede eigenschap hebben:bij lage temperaturen, ze kunnen de groei van ijskristallen eerder bevorderen dan remmen.

De studie bracht onderzoekers van de Universiteit van Bielefeld samen, de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem en het Weizmann Institute of Science in Rehovot (Israël). Het is gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry Letters .

"We onderzoeken hoe bijzonder, natuurlijk voorkomende eiwitten beïnvloeden de kleinste ijskristallen - de kristalembryo's, " zegt professor dr. Thomas Koop. De chemicus leidt de onderzoeksgroep Atmosferische en Fysische Chemie van de Universiteit van Bielefeld.

"Normaal gesproken, dergelijke eiwitten zorgen ervoor dat kristalembryo's worden geneutraliseerd en niet uitgroeien tot grote ijskristallen, " zegt hij. Die dynamiek is essentieel voor het voortbestaan ​​van de larven van de meelwormkever, bijvoorbeeld. Ze gebruiken een eiwit om hun huid en lichaamsvloeistoffen te beschermen tegen schade veroorzaakt door ijskristallen. Als de buitentemperatuur daalt, de larven scheiden een antivries-eiwit af in hun lichaamsvloeistoffen. De eiwitmoleculen bedekken het oppervlak van de kristallen embryo's, waardoor ze niet groot genoeg kunnen groeien om de cellen te beschadigen.

"Daarentegen, er zijn veel andere organismen die baat kunnen hebben bij het veranderen van water in ijs, " zegt Koop. Dit is het geval bij bepaalde bacteriën die de vorming van ijs veroorzaken, bijvoorbeeld. Ze scheiden eiwitten af ​​waarop zich kristalembryo's kunnen vormen, of kiemen uit het koude vloeibare water, en daarna uitgroeien tot grote ijskristallen. Sommige bacteriën kunnen dit gebruiken om de schil van een tomaat open te splijten.

Tot nu, de wetenschap heeft ijsbevorderende en ijsremmende eiwitten gezien als twee verschillende soorten eiwitten. Dat blijkt ook uit hun verschillende groottes:IJsremmende eiwitten zijn opgebouwd uit kleine moleculen; ijsbevorderende eiwitten, van grote, lange moleculen.

"Echter, de nieuwe experimenten tonen aan dat een antivriesmolecuul niet alleen de groei van ijs kan remmen, het kan ook zijn groei stimuleren, ' zegt Koop.

De wetenschappers hebben twee natuurlijk voorkomende antivries-eiwitten getest:een eiwit van de larven van de meelwormkever en een eiwit van een poolvis, de oceaanpruil. Ze observeerden het effect van de eiwitten op dunne microfluïdische chips ontwikkeld aan het Weizmann Institute, die zijn doordrongen van microscopisch kleine kanaaltjes met druppelvangers. Ze namen zuiver gedestilleerd water en voegden een vaste concentratie van het specifieke eiwit toe. Vervolgens injecteerden ze deze eiwitoplossing in de chip. Op de chip, minuutdruppels water werden opgevangen in de druppelvangers. Daarna plaatsten ze de chips in een temperatuurgecontroleerde koelkamer die ze afkoelde tot min 40 graden.

"De pure druppels in onze chip moeten eigenlijk eerst bevriezen bij min 38,4 graden, " zegt Koop. Echter, het tegenovergestelde gebeurde. "Toen de druppels de zogenaamd ijsremmende antivries-eiwitten bevatten, de ijskristalembryo's begonnen zich al te vormen en te groeien bij warmere temperaturen." in het geval van het eiwit van de larven van de meelwormkever, de helft van alle druppels begon al te vriezen bij min 33,9 graden. "Hierdoor konden we aantonen dat of de antivries-eiwitten ijsremmende of ijsbevorderende eigenschappen hebben, afhangt van de temperatuur. Er wordt al jaren gespeculeerd over de ambivalentie van dergelijke eiwitten, maar we zijn de eersten die dit experimenteel bevestigen, " zegt Professor Dr. Ido Braslavsky van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem. Professor Dr. Yinon Rudich van het Weizmann Instituut voegt eraan toe:"Alleen dankzij de chip konden we de vorming van ijs door antivries-eiwitten experimenteel bestuderen."

Sommige van de experimenten voor de studie werden uitgevoerd aan de Universiteit van Bielefeld. Aanvullende bevriezingsexperimenten en de chips die werden gebruikt om het water en de eiwitoplossingen te bestuderen, kwamen van het Weizmann Institute of Science in Rehovot. De antivries-eiwitten van de larven van de meelwormkever en de arctische vissen werden geproduceerd aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem op de Rehovot-campus. Daar werd ook ijsremming van dezelfde eiwitoplossingen aangetoond.

IJsremmende en ijsbevorderende eiwitten komen niet alleen in de natuur voor. Vandaag de dag, ze worden ook gebruikt als technische hulpmiddelen. Bijvoorbeeld, antivries-eiwitten in lak kunnen de gelakte oppervlakken helpen beschermen tegen vorst. De eiwitten kunnen ook aan ijs worden toegevoegd om het romig te houden. IJsvormende eiwitten worden gebruikt in, bijvoorbeeld, skigebieden, zodat bij een temperatuur van min 3 graden al kunstsneeuw kan worden geproduceerd zonder te hoeven wachten tot de temperatuur verder daalt.