Jak zamrozić wodę metodami biologicznymi
Powstawanie lodu jest fundamentalnym procesem dla życia. Niektóre organizmy, takie jak bakterie aktywne lodowo mogą katalizować powstawanie lodu poprzez swoiste białka nukleujące lód (INPs). Nie wiadomo, dlaczego organizmy zarodkujące lód posiadają tę umiejętność, choć jednym z potencjalnych wyjaśnień jest możliwość wykorzystania jej do atakowania roślin poprzez szron. Niektóre organizmy promują również lokalne zarodkowanie lodu, aby uniknąć zamarzania w innych miejscach. Ta niezwykła zdolność jest dobrze znana ze względu na jej znaczenie dla globalnego poziomu opadów i jest bardzo interesująca dla badaczy klimatu. Została również wykorzystana w wielu zastosowaniach, w tym do zapobiegania powstawaniu szronu w rolnictwie lub do tworzenia sztucznego lodu. Pomimo tych przypadków użycia mechanizmy molekularne leżące u podstaw tworzenia lodu przez białka pozostają tajemnicą, głównie z powodu braku odpowiedniego oprzyrządowania i metod. „Aby śledzić proces zarodkowania lodu, należy przyjrzeć się kilku warstwom cząsteczek wody oddziałujących z pojedynczą warstwą białek” — wyjaśnia Tobias Weidner, profesor nadzwyczajny na Wydziale Chemii Uniwersytetu w Aarhus w Danii i koordynator projektu ProIce. Jak mówi, niektóre techniki mogą to zrobić, ale sprzęt i teoria są dostępne dopiero od niedawna. Finansowany ze środków UE projekt ProIce zamierza wypełnić tę fundamentalną lukę w wiedzy poprzez badanie INP na poziomie molekularnym z wykorzystaniem najnowszych osiągnięć q ultraszybkiej spektroskopii wibracyjnej — technice wykorzystującej impulsy laserowe do wzbudzania wibracji cząsteczek i zbierania z nich informacji. „Najważniejszymi przełomami było odkrycie wpływu pH na aktywność zarodkowania lodu oraz opracowanie metod śledzenia interakcji białko-woda” — mówi Weidner.
Badanie zarodkowania lodu
Pierwszym krokiem projektu było zbadanie INP na styku z czystą wodą, aby zobaczyć, jak białka te fałdują się w kontakcie z wodą; co robią w celu wykonywania określonych funkcji biologicznych. „Okazuje się, że białka zwijają się w heliksy beta, strukturę przewidywaną wcześniej w symulacjach” — dodaje Weidner. Dzięki dalszym eksperymentom naukowcy z ProIce odkryli, że INP zmieniają swoją orientację w niższych temperaturach, aby zoptymalizować swój kontakt z wodą. Naukowcy odkryli również, że zmiany pH — miary kwasowości wody — mogą działać jako czynnik wyzwalający aktywność zarodkowania lodu. Projekt, który został podjęty przy wsparciu programu działania „Maria Skłodowska-Curie”, zakończył się badaniem interakcji wody z białkami z wykorzystaniem spektroskopii wibracyjnej do śledzenia interakcji cząsteczek wody ze szkieletami białek (części, która utrzymuje białka razem) i łańcuchami bocznymi (części, które łączą się ze sobą).
Nawiązywanie nowych kontaktów badawczych
Udane badania doprowadziły do nawiązania współpracy z naukowcami zajmującymi się atmosferą, którzy również badają zarodkowanie lodu w chmurach. Zespół ProIce otrzymał niedawno fundusze na nowe centrum, które zajmie się tym tematem: Centrum chemii chmur (C3 — Center for Chemistry of Clouds). Znajduje się ono na Uniwersytecie w Aarhus. W wyniku projektu Prolce pojawiły się również nowe pytania, którymi Weidner i jego zespół będą się dalej zajmować. „Jestem zafascynowany nową możliwością śledzenia interakcji woda-białko” — dodaje Weidner. „Zaobserwowaliśmy, że energia jest szybko przenoszona między cząsteczkami wody w pobliżu powierzchni bakterii lodowych. Ale co się dzieje z nią dalej?” — pyta. Weidner zamierza teraz śledzić ten transfer energii z wody do białek w skali molekularnej. Dalsze potencjalne kierunki badań obejmują przyjrzenie się innym organizmom zarodkującym lód, takim jak grzyby i materiały antropogeniczne.
Słowa kluczowe
Proces, lód, powstawanie, zarodkowanie, grzyby, energia, pH, woda, organizmy, bakterie
