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Fundamentals of Biological Ice Nucleation

Projektbeschreibung

Wie lösen Bakterien die Bildung von Eis aus?

Eiskeimbildende Bakterien können effektiver als jedes andere bekannte Material Eis wachsen lassen. Mithilfe spezieller eiskeimbildender Proteine verursachen sie Frostschäden an Pflanzen, und in der Luft regeln sie den Niederschlag, indem sie unterkühltes Wasser in Wolken einfrieren. Ziel des EU-finanzierten Projekts F-BioIce sind weitere, bislang unbekannte Informationen über die hinter den eiskeimbildenden Proteinen steckenden molekularen Mechanismen. Das Projekt wird neue Strategien entwickeln, die auf dem gesamten Gebiet der Eiskeimbildung einen Paradigmenwechsel bewirken könnten. Auch die Suche nach ähnlichen Prozessen in eisaktiven Pilzen und Pollen sowie abiotischen Eiskeimbildnern wie Feldspat, Siliziumdioxid und Ruß könnte auf diese Weise unterstützt werden. Die Projektergebnisse werden als wichtige Werte Eingang in Klimamodelle finden sowie neue Gefriertechnologien für die Lebensmittelkonservierung, Kryomedizin und Wolkenimpfung anregen.

Ziel

Ice active bacteria can promote the growth of ice more effectively than any other material known. Using specialized ice nucleating proteins (INPs), they attack plants by frost damage and, when airborne in the atmosphere, they drive ice nucleation within clouds and control global precipitation patterns. The control INPs exert over water phase transitions has relevance for disciplines as diverse as climatology, plant pathology, biomedicine and material science. Despite the apparent importance, the molecular mechanisms behind INP freezing have remained largely elusive. This lack of our knowledge can be traced back to the challenges in studying protein and water structure and dynamics at the very interface between monolayers of proteins and water.
With F-BioIce my team and I want to reveal the molecular details of INP function. We ask the questions: What is the structural basis for protein control of freezing? What structural motifs do proteins use to interact with water, and what is the configuration of water molecules that INPs imprint into interfacial water layers? What is the role of structural dynamics and for surface freezing? We will develop new methods based on sum frequency generation (SFG) spectroscopy to determine mode of action by which INPs interact with and manipulate water. The INPs and water structure will be obtained by combining three rising methods in the field: SFG techniques that I have been spearheading, computer simulations and cryo-electron microscopy. We will study model water surfaces and, for the first time, realistic water aerosols interacting with INPs. These new strategies could lead to a paradigm shift in the entire field of ice nucleation and a search for similar processes in ice active fungi and pollen and abiotic ice nucleators – feldspar, silica and soot. The obtained information will provide critical input for climate models and revolutionary new freezing technologies for food preservation, cryomedicine and cloud seeding.

Gastgebende Einrichtung

AARHUS UNIVERSITET
Netto-EU-Beitrag
€ 1 999 936,00
Adresse
NORDRE RINGGADE 1
8000 Aarhus C
Dänemark

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Region
Danmark Midtjylland Østjylland
Aktivitätstyp
Higher or Secondary Education Establishments
Links
Gesamtkosten
€ 1 999 936,00

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