I mikrogravitationsexperimenten vid den internationella rymdstationen (ISS), forskare avslöjade att underkylt vatten som innehåller frostskyddsglykoproteiner accelererar och svänger dess iskristallstillväxt. Detta till synes motsägelsefulla resultat kan leda till en bättre förståelse av den mystiska frostskyddseffekten hos levande organismer.

Fisk kan överleva även i minusgrader, som till exempel under isflak. Forskare har antagit att när glykoproteiner som finns i fiskblod absorberas på ytan av iskristaller, det dämpar tillväxten av iskristaller. För att verifiera funktionerna hos dessa glykoproteiner krävs exakta mätningar av kristallernas normala tillväxttakt över tiden. Men detta är svårt att göra det på jorden på grund av det naturliga konvektiva flödet runt den växande kristallen som induceras av gravitationen.

Forskarna, ledd av Hokkaido University Professor Emeritus Yoshinori Furukawa, hoppades kunna använda mikrogravitationsförhållandena i rymden för att exakt mäta de normala tillväxthastigheterna för kristallytorna, eftersom konvektivt flöde inte förekommer i denna miljö.

För att utföra experimenten på ISS, Hokkaido Universitys Institute of Low Temperature Science och JAXA utvecklade tillsammans Ice Crystal Cell 2, en anordning för att mäta hastigheten för iskristalltillväxt i rymden. När den väl installerats i den japanska experimentmodulen KIBO, experiment utfördes genom att styra enheten med hjälp av signaler från marken.

Forskarna genomförde 124 experiment varav 22 ansågs ha noggrant uppmätt iskristallens tillväxttakt i superkyldt vatten som innehåller en glykoproteinförorening. Resultaten visade att de nedre basala ytorna på iskristallerna växte tre till fem gånger snabbare än i rent vatten. Iskristaller uppvisade också periodiska svängningar när de växte. "Resultaten stred mot vad som förväntades, eftersom glykoproteinet faktiskt underlättade tillväxten av iskristaller, snarare än att stoppa det, "säger Ken Nagashima från forskargruppen.

Vad, sedan, förklarar glykoproteins frostskyddseffekt? Forskarna upptäckte den knepiga processen där platta kristallytor med höga tillväxthastigheter avkortades av ansikten med långsammare tillväxttakt, vilket gör att den polyedriska kristallen endast omges av platta ytor med de lägsta tillväxthastigheterna. Detta resulterade i en kraftig bromsning av iskristallernas tillväxt.

"Våra resultat tyder på att förebyggandet av frysning i levande organismer inte enbart kan förklaras av glykoproteiners tillväxthämmande effekt. Med andra ord, den nya mekanismen vi observerade är avgörande för att förhindra att levande organismer fryser, ", säger Nagashima. "Glykoproteinernas funktion i iskristalltillväxt är nära kopplad till hur biopolymerer reglerar tillväxten av olika oorganiska kristaller. En bättre förståelse av detta kan leda till skapandet av nya material, " han lade till.