W jaki sposób białka zapobiegające zamarzaniu przestają być lodowate

Anonim

Jak owady przeżywają ostre zimowe zimy? W przeciwieństwie do ssaków, nie mają grubych warstw futra, aby się rozgrzać. Ale mają środek przeciw zamarzaniu. Białka zapobiegające zamarzaniu (AFP) zapobiegają tworzeniu się lodu i rozprzestrzenianiu się w jego ciałach.

Istnienie tych AFP jest znane od dziesięcioleci, ale mechanizmy rządzące tą unikalną techniką przetrwania okazały się trudne do określenia. Nowe badania opublikowane w Proceedings of National Academy of Sciences przez naukowców z University of Utah i University of California w San Diego pokazują, w jaki sposób działają AFP, jednocześnie zapewniając kierunek przyszłych badań.

Rozpoznawanie lodu przed lodem

AFP zapobiegają zamarzaniu wody przez otaczające i szybko wiążące się z małymi kryształkami lodu, gdzie woda zdążyła już uporządkować się w kratę lodową. Pozostawione bez opieki, te kryształy w przeciwnym razie działałyby jak nasiona i kontynuowały rozprzestrzenianie ich uporządkowania na sąsiednie cząsteczki wody. Przeważająca hipoteza o tym, jak AFP zatrzymują ten mechanizm, to wstępne rozgrzewanie się lodowatej warstwy wody w pobliżu miejsca białka wiążącego się z powierzchnią lodu. Jednakże, przede wszystkim ze względu na trudność izolacji tego małego regionu w eksperymentach z otaczającego lodu i wody, nie zostało to jeszcze udowodnione, mówi profesor chemii U. Valeria Molinero.

Skupiając się na AFP żuka mącznika, Tenebrio molitor (Tm AFP), celem badania było zbadanie tej hipotezy za pomocą metod teoretycznych w różnych rozdzielczościach przestrzeni i czasu. Molinero specjalizuje się w symulowaniu lodu w większych skalach i wykorzystuje tę wiedzę do systemu z Tm AFP w wodzie zbliżającej się do powierzchni lodu. Dzięki tej konfiguracji ona i jej doktorantka Arpa Hudait zaobserwowali, że białko powoli spada ponad powierzchnię lodu. Odkryli, że aby zatrzasnąć się na lodzie, wszystkie Tm AFP wymagają równoległości z powierzchnią.

Ważne jest jednak to, że kotwienie nie wymagało uprzedniego uporządkowania wody w strukturę podobną do lodu. "Powolny ruch białka równoległego do powierzchni lodu następuje natychmiast po szybkiej reorientacji pobliskiej wody, aby związać białko z lodem" - mówi Hudait. U owadów, takich jak żuka mącznika, to wiązanie wielu AFP z rozwijającymi się kryształami lodu zapobiega dalszej krystalizacji lodu w ich ciałach.

Jak to oglądać

Jednak metodom Molinero brakowało dokładności niezbędnej do stworzenia spekroskopowych prognoz tego, jak będzie wyglądało wydarzenie wiążące dla instrumentów spektroskopowych. Dzięki swojemu bardzo dokładnemu modelowi wody, Francesco Paesani z UCSD i jego doktor habilitowany Daniel Moberg współpracowali z Molinero i jej zespołem, aby obliczyć widma w podczerwieni i widmo Ramana z niespotykaną dokładnością. "Symulacje mają tę zaletę, że są w stanie wyizolować dowolny pożądany region, ale jest to przydatne tylko wtedy, gdy podstawowa teoria jest wystarczająco dokładna", wyjaśnia Paesani.

Było to pierwsze badanie, które określiło sygnał tylko z konstrukcji kotwiących białko na powierzchni lodu, zwanych klatratami. "Nasze wyniki pokazują, że spektroskopia w podczerwieni prawdopodobnie nie dostarczy wielu informacji na temat zakotwiczonej struktury klatratu" - mówi Moberg. "Spektroskopia Ramana powinna jednak wykazać różnice, jeśli eksperymentatorzy mogą wyizolować sygnał z miejsca wiązania lub zakotwiczonego klatratu".

Odkrycia mogą pomóc w badaniach nad białkami zarodkującymi lód w atmosferze, które spełniają przeciwne zadanie i odgrywają rolę w tworzeniu kryształów lodu w chmurach. "Przewidujemy, że na dużych powierzchniach zagregowanych białek z zarodkowaniem lodu mogą pojawić się wstępne układy, które mogą pełnić przeciwną rolę wspomagania zarodkowania lodu w chmurach" - mówi Molinero.

Istnieje duże zainteresowanie nauką naśladowania mechanizmu zapobiegającego zamarzaniu AFP, dodaje, z aplikacjami od ochrony organów po odladzanie samolotów. "Istnieje duży potencjalny rynek środków przeciw zamarzaniu opartych na tym samym mechanizmie - ale jeśli nie rozumiesz mechanizmu, trudno jest zdefiniować i zoptymalizować molekuły".

menu
menu