En enkristall av is visualiserades samtidigt med ljusfältsmikroskopi (vänster) och Mach-Zehnder-interferometri (höger) för att observera dess morfologi och tillväxthastigheter. Kredit:Bayer-Giraldi M. et al., Proceedings of National Academy of Sciences , 2 juli, 2018
Forskare har upptäckt att ett isbindande protein (fcIBP) från havsismikroalger inte passar in i den konventionella klassificeringen av isbindande proteiner, antyder okända mekanismer bakom dess frostskyddsegenskaper. Detta fynd kan leda till en bredare tillämpning av frostskyddsproteinet i livsmedels- och medicinindustrin.
Organismer som lever i kalla zoner producerar isbindande (frostskyddsmedel) proteiner för att förhindra att de fryser ihjäl. Sådana proteiner har klassificerats i två grupper; den hyperaktiva typen fäster vid de hexagonala basytorna av iskristaller för att hämma iskristalltillväxt och sänker frystemperaturen med upp till sex grader C medan den moderata typen inte fäster vid basalytorna och sänker frystemperaturen med högst 1 grad C.
"Många studier på isbindande proteiner har fokuserat på biokemiska perspektiv, men dessa proteiner har bara nyligen undersökts ur kristalltillväxtfysikens synvinkel, " säger professor Gen Sazaki från forskargruppen vid Hokkaido University.
Forskarna använde sin ursprungliga kammare, utvecklad vid Hokkaido Universitys Institute of Low Temperature Science, som gjorde det möjligt för dem att i detalj observera tillväxten av iskristaller i vatten. Morfologin hos iskristaller till vilka fclBP hade fäst sig observerades under mikroskop och deras tillväxthastigheter mättes exakt.
Isenkristaller vid olika superkylningstemperaturer observerade under ett mikroskop. Kredit:Bayer-Giraldi M. et al., Proceedings of National Academy of Sciences , 2 juli, 2018
"Till vår förvåning, vi fann att fclBP – som är känt för att vara effektivt för att sänka fryspunkten med mindre än 1 grad C – fäster på både basal- och prismaytor, vilket påverkar tillväxten av iskristaller, " säger Dr Maddalena Bayer-Giraldi, första författare från Alfred-Wegener-institutet, Helmholtz Center for Polar and Marine Research (AWI). När vattentemperaturen inte var särskilt låg, kristalltillväxten hämmades och iskristallerna blev facetterade, framträder som sexkantiga plattor, ett fenomen som aldrig setts i iskristaller i rent vatten. När vattentemperaturen var tillräckligt låg, iskristallerna tog en normal dendritform. Men eftersom fclBP undertryckte iskristalltillväxt på prismaytorna, dendritgrenarna blev smalare, vilket möjliggör lättare frigöring av värme och därmed snabbare tillväxt av spetsarna på kristallgrenarna.
Studien visade att fclBP fäster på både basala och prisma ytor av iskristaller även om det kan sänka fryspunkten med mindre än 1 grad C eller så, trotsar den konventionella klassificeringen av isbindande proteiner. "Isbindande proteinfunktioner kan inte utvärderas endast genom att proteinerna fästs på basala ytor eller genom att iskristalltillväxthämning sker. Vi måste förstå de molekylära mekanismerna bakom deras frostskyddsegenskaper. Större förståelse för isbidande proteiner kan leda till deras tillämpning vid konservering av mat och levande organ samt vid kryokirurgi, " säger Dr Maddalena Bayer-Giraldi.
