I motsats till vad du kan ha lärt dig, vatten fryser inte alltid till is vid 32 grader F (noll grader C). Menande, eller kontrollerar, vid vilken temperatur vatten kommer att frysa (börjar med en process som kallas kärnbildning) är kritiskt viktigt för att svara på frågor som om det kommer tillräckligt med snö i skidbackarna eller om det kommer att regna i morgon eller inte.

Naturen har kommit på sätt att kontrollera isbildning, fastän, och i ett papper publicerat idag i Journal of the American Chemical Society Professor Valeria Molinero vid University of Utah och hennes kollegor visar hur viktiga proteiner som produceras i bakterier och insekter antingen kan främja eller hämma isbildning, baserat på deras längd och deras förmåga att samarbeta för att bilda stora isbindande ytor. Resultaten har stor tillämpning, särskilt för att förstå nederbörd i moln.

"Vi kan nu förutsäga temperaturen vid vilken bakterien kommer att nukleera is beroende på hur många iskärnbildande proteiner den har, "Molinero säger, "och vi kan förutsäga temperaturen vid vilken frostskyddsmedelsproteinerna, som är mycket små och vanligtvis inte fungerar vid mycket låga temperaturer, kan kärnbilda is. "

Vad är iskärnbildning?

Det har länge varit känt att livet gillar att bråka med is. Insekter, fisk och växter producerar alla olika former av frostskydds-proteiner för att hjälpa dem att överleva under frysförhållanden. Och plantera patogener, särskilt bakterien Pseudomonas syringae , använda proteiner som främjar isbildning för att orsaka skador i deras värdar. Innan vi kan prata om hur dessa proteiner fungerar, fastän, vi behöver en snabb uppdatering om hur is fryser.

Rent vatten, utan föroreningar, fryser inte förrän den når -35 grader C (-31 grader F). Det är den temperatur vid vilken vattenmolekylerna spontant kommer att ordna sig i ett kristallgitter och börja rekrytera andra molekyler att gå med i. För att starta frysprocessen vid varmare temperaturer, dock, vattenmolekyler behöver något att hålla fast vid, som en dammfläck, sot eller annan orenhet, på vilken den kan börja bygga sitt kristallgitter. Detta är processen som kallas kärnbildning.

Is-kärnbildande proteiner, som de i Ps. syringae , binda till isande kristalliter på ett sådant sätt att energikostnaden för ytterligare frysning minskar. De kan också aggregera tillsammans för att ytterligare förbättra deras kärnkraft. "Det är mycket grupparbete!" Säger Molinero.

En snökanoner

Dessa proteiner kan vara så effektiva att de kan kärnbilda is vid temperaturer så varma som -2 grader C (29 grader F). Is-kärnbildande proteiner tas redan i bruk på skidorter, med Colorado-baserade Snomax International marknadsföring av en tillsats som innehåller Ps. syringae som ger snötillverkningsmaskiner ett uppsving.

Frostskyddsproteiner, dock, också binda till is, men tvinga den att utveckla en krökt yta som avskräcker från ytterligare frysning och kräver mycket kallare temperaturer för att is ska växa. Också, antifrostproteiner aggregeras inte tillsammans. "De har utvecklats till att vara ensamma, eftersom deras jobb är att hitta is och hålla sig till den, "Säger Molinero.

Allt detta var tidigare känt, inklusive det faktum att frostskyddsproteiner var relativt små och iskärnande proteiner var relativt stora. Det som inte var känt, fastän, var hur storleken och aggregeringsbeteendet hos proteinerna påverkade temperaturen på iskärnbildning. Det är frågan Molinero och hennes team gav sig ut att besvara.

En "enda kula"

Molinero och doktorander Yuqing Qiu och i Arpa Hudait genomförde molekylära simuleringar av proteininteraktioner med vattenmolekyler för att se hur de påverkade temperaturen på iskärnbildning. Frostskyddsmedel och iskärnande proteiner, Molinero säger, binda till is med nästan lika stor styrka.

"Naturen använder en enda kula när det gäller interaktioner för att ta itu med två helt olika problem, "säger hon." Och hur det har lösts mellan frostskyddsmedel eller iskärnbildning är genom att ändra storleken på proteinerna och deras förmåga att samverka för att bilda större isbindande ytor. "

Frostskyddsproteiner, de hittade, kärnkraft vid strax över -35 grader C, som matchade experimentella data. Förlängning av de simulerade proteinerna ökade kärnbildningstemperaturen, som platåer efter en viss längd. Simuleringarna förutspådde att ytterligare montering av cirka 35 bakterieproteiner till större domäner var avgörande för att uppnå iskärnningsförmågan hos Ps. syringae , med en kärnbildningstemperatur på -2 grader C (29 grader F).

"Nu kan vi designa nya proteiner eller syntetiska material som kärnar is vid en specifik temperatur, "Säger Molinero.

Varför det spelar roll

Konsekvenserna av en sådan upptäckt sträcker sig hela vägen till framtidens vatten på jorden.

Nederbörden börjar som is, som kärnar och växer tills det är tillräckligt tungt för att fälla ut. På höga höjder där det är kallare, sot och damm kan göra jobbet med att utlösa kärnbildning. Men på lägre höjder, det är inte damm som utlöser kärnbildning - det är bakterier.

Ja, samma proteiner i Ps. syringae som hjälper till med snötillverkning på skidorter också hjälper isbildning vid varmare temperaturer, tillåter moln på låg höjd att fälla ut. I ett värmande klimat, Molineros resultat kan hjälpa klimatmodeller att bättre förstå villkoren för molnbildning och nederbörd och förutse hur uppvärmningen kommer att påverka mängden iskärnbildning och nederbörd i framtiden.

"Möjligheten att förutsäga om molnen kommer att frysa eller inte är superviktigt i klimatmodeller, eftersom isbildning avgör nederbörd och även förhållandet mellan solenergi som absorberas och reflekteras av vår atmosfär, "Molinero säger." Utmaningen att förutsäga om is kommer att kärnbilda eller inte i moln är en stor begränsning i förutsägbarhet för väder- och klimatmodeller. "

I mycket mindre skala, dock, frostskydds- och iskärnbildande proteiner kan användas tillsammans i en finstämd isdans:Vissa insekter använder frostskydds proteiner för att skydda sig ner till cirka -8 grader C (18 grader F), men använd sedan is-kärnbildande proteiner vid lägre temperaturer för att innehålla istillväxt innan det går ur spel.

"Den stora bilden är att vi nu förstår hur proteiner använder sin storlek och aggregering för att modulera hur mycket de kan kärnbilda is, "Säger Molinero." Jag tror att det här är ganska kraftfullt. "