Hvordan frostvæskeproteiner får iskrystaller til at vokse

Bakterie, planter, insekter og fisk bruger frostvæskeproteiner for at beskytte sig mod kulden. Proteinerne blokerer væksten af ​​iskrystaller. I en ny undersøgelse, et tysk-israelsk forskerhold har bekræftet, at disse proteiner også har en usædvanlig anden egenskab:ved lave temperaturer, de kan fremme snarere end hæmme væksten af ​​iskrystaller.

Undersøgelsen samlede forskere fra Bielefeld University, Det hebraiske universitet i Jerusalem og Weizmann Institute of Science i Rehovot (Israel). Det er offentliggjort i Journal of Physical Chemistry Letters .

"Vi undersøger, hvor specielt, naturligt forekommende proteiner påvirker de mindste iskrystaller - krystalembryonerne, "siger professor dr. Thomas Koop. Kemikeren leder Bielefeld Universitets forskningsgruppe for atmosfærisk og fysisk kemi.

"Normalt, sådanne proteiner sikrer, at krystalembryoner neutraliseres og ikke vokser til store iskrystaller, "siger han. Den dynamik er afgørende for overlevelsen af ​​melormens larver, for eksempel. De bruger et protein til at beskytte deres hud og kropsvæsker mod skader forårsaget af iskrystaller. Når udetemperaturen falder, larverne udskiller et frostvæskeprotein i deres kropsvæsker. Proteinmolekylerne dækker overfladen af ​​krystalembryonerne, og derved forhindre dem i at vokse sig store nok til at beskadige cellerne.

"Derimod der er mange andre organismer, der kan drage fordel af at få vand til at blive til is, "siger Koop. Dette er tilfældet med visse bakterier, der udløser dannelse af is, for eksempel. De udskiller proteiner, som krystalembryoner kan dannes på, eller nukleat fra det kolde flydende vand, og vokser derefter til store iskrystaller. Nogle bakterier kan bruge dette til at åbne huden på en tomat.

Indtil nu, videnskaben har set is-fremmende og is-hæmmende proteiner som to forskellige typer protein. Det er også angivet ved deres forskellige størrelser:Ishæmmende proteiner består af små molekyler; isfremmende proteiner, af store, lange molekyler.

"Imidlertid, de nye eksperimenter viser, at et frostvæskemolekyle ikke bare kan hæmme væksten af ​​is, det kan også udløse dens vækst, "siger Koop.

Forskerne har testet to naturligt forekommende frostvæskeproteiner:et protein af melormens larver og et protein fra en arktisk fisk, havpuden. De observerede proteinernes virkning på tynde mikrofluidiske chips udviklet på Weizmann Institute, som er gennemsyret af mikroskopisk små kanaler med dråbefælder. De tog rent destilleret vand og tilføjede en bestemt koncentration af det specifikke protein. Derefter sprøjtede de denne proteinopløsning ind i chippen. I chippen, minuts vanddråber blev opsamlet i dråbefælderne. Derefter lagde de chipsene i et temperaturreguleret kølekammer, der afkølede dem til minus 40 grader.

"De rene dråber i vores chip skulle faktisk først fryse ved minus 38,4 grader, " siger Koop. Men det modsatte skete. "Når dråberne indeholdt de angiveligt ishæmmende frostvæskeproteiner, iskrystalembryonerne begyndte allerede at danne og vokse ved varmere temperaturer. "Derfor, i tilfælde af protein fra melormbillens larver, halvdelen af ​​alle dråberne begyndte allerede at fryse ved minus 33,9 grader. "Dette gjorde det muligt for os at vise, at hvorvidt frostvæskeproteinerne har ishæmmende eller isfremmende egenskaber afhænger af temperaturen. Der har i mange år været spekulationer om ambivalensen af ​​sådanne proteiner, men vi er de første til at bekræfte dette eksperimentelt, "siger professor Dr. Ido Braslavsky fra det hebraiske universitet i Jerusalem. Professor Dr. Yinon Rudich fra Weizmann Institute tilføjer, "Det var kun at have chippen, der gjorde det muligt for os at undersøge dannelsen af ​​is gennem frostvæskeproteiner eksperimentelt."

Nogle af forsøgene til undersøgelsen blev udført på Bielefeld University. Komplementære fryseforsøg og de chips, der blev brugt til at studere vandet samt proteinopløsningerne, kom fra Weizmann Institute of Science i Rehovot. Frostbeskyttelsesproteinerne fra melormens biller og de artiske fisk blev produceret på det hebraiske universitet i Jerusalem på Rehovot -campus. Ishæmning af de samme proteinopløsninger blev også påvist der.

Ishæmmende og isfremmende proteiner er ikke kun almindelige i naturen. I dag, de bruges også som tekniske hjælpemidler. For eksempel, frostvæske proteiner i lak kan hjælpe med at beskytte de lakerede overflader mod frost. Proteinerne kan også føjes til is for at holde den cremet. Isdannende proteiner bruges i, for eksempel, skisportssteder, så der allerede kan produceres kunstig sne ved en temperatur på minus 3 grader uden at skulle vente på, at temperaturen falder yderligere.