Jak zamrozić wodę metodami biologicznymi
Powstawanie lodu jest fundamentalnym procesem dla życia. Niektóre organizmy, takie jak bakterie aktywne lodowo(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie), 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”(odnośnik otworzy się w nowym oknie), 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (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.
