Hvordan frostvæskeproteiner stopper iskoldt

Hvordan overlever insekter hårde nordlige vintre? I modsætning til pattedyr, de har ikke tykke pelslag for at holde varmen. Men de har frostvæske. Antifryseproteiner (AFP) forhindrer is i at danne og sprede sig inde i deres kroppe.

Eksistensen af ​​disse AFP'er har været kendt i årtier, men mekanismerne for denne unikke overlevelsesteknik har vist sig at være svære at bestemme. En ny undersøgelse offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences af forskere ved University of Utah og University of California, San Diego viser, hvordan AFP'er fungerer, samtidig med at de også giver en retning for fremtidig forskning.

Genkender is før det er is

AFP forhindrer vand i at fryse ved at omgive og hurtigt binde sig til små iskrystaller, hvor vand allerede har formået at bestille sig ind i et isgitter. Venstre uden opsyn, disse krystaller ville ellers fungere som frø og fortsætte med at sprede deres bestilling til tilstødende vandmolekyler. Den fremherskende hypotese for, hvordan AFP'er stopper denne mekanisme, har været forudbestilling af et islignende lag vand nær stedet for proteinet, der binder sig til isoverfladen. Imidlertid, primært på grund af vanskeligheden ved at isolere denne lille region i forsøg fra den omkringliggende is og vand, dette skulle endnu bevises, siger U. kemiprofessor Valeria Molinero.

Fokus på melormens biller, Tenebrio molitor ( Tm AFP), undersøgelsen havde til formål at teste denne hypotese ved hjælp af teoretiske metoder i forskellige opløsninger af rum og tid. Molinero har specialiseret sig i at simulere is i større skalaer og anvendte denne ekspertise på et system med Tm AFP i vand, der nærmer sig en isoverflade. Med denne opsætning, hun og hendes doktorand Arpa Hudait observerede proteinet langsomt tumle over isoverfladen. De opdagede, at for at låse fast på isen, alle Tm AFP kræver, at den skal være parallel med overfladen.

Vigtigere, imidlertid, denne forankring krævede ikke nogen forudgående bestilling af vandet i en islignende struktur. "Den langsomme bevægelse af proteinet, der skal være parallelt med isoverfladen, følges straks af en hurtig omorientering af det nærliggende vand for at binde proteinet til isen, "Siger Hudait. Hos insekter som melormebille, denne binding af mange AFP'er til at udvikle iskrystaller forhindrer yderligere krystallisation af is i deres kroppe.

Hvordan man ser det ske

Men Molineros metoder manglede den nøjagtighed, der var nødvendig for at skabe spektroskopiske forudsigelser af, hvordan bindingshændelsen ville se ud for spektroskopiske instrumenter. Med sin meget præcise vandmodel, Francesco Paesani fra UCSD, og hans postdoktor, Daniel Moberg, samarbejdede med Molinero og hendes team for at beregne både det infrarøde og Raman -spektret med en hidtil uset nøjagtighed. "Simuleringer har den fordel, at de er i stand til at isolere enhver ønsket region, selvom dette kun er nyttigt, hvis den underliggende teori er præcis nok, "forklarer Paesani.

Dette var den første undersøgelse, der havde bestemt signalet fra kun de strukturer, der forankrede proteinet til isoverfladen, kaldes klatrater. "Vores resultater viser, at infrarød spektroskopi sandsynligvis ikke vil give mange oplysninger om den forankrede klathratstruktur, "siger Moberg." Raman -spektroskopi, imidlertid, bør vise forskelle, hvis eksperimentelle kan isolere signalet fra bindingsstedet eller forankret klatrat. "

Resultaterne kan give indsigt i undersøgelser af iskerneproteiner i atmosfæren, som udfører den modsatte opgave og spiller en rolle i dannelsen af ​​iskrystaller i skyer. "Vi forudsiger, at forudbestilling kan dukke op på de store overflader af aggregerede iskernende proteiner, hvor det kan tjene den modsatte rolle at hjælpe med iskernen i skyer, "Siger Molinero.

Der er stor interesse for at lære at efterligne antifrost -mekanismen for AFP'er, tilføjer hun, med applikationer fra organkonservering til flyafisning. "Der er et stort potentielt marked for frostvæske baseret på den samme mekanisme - men hvis du ikke forstår mekanismen, er det svært at definere og optimere molekyler."