Hur överlever insekter hårda norra vintrar? Till skillnad från däggdjur, de har inte tjocka pälsar för att hålla värmen. Men de har frostskyddsmedel. Frostskyddsproteiner (AFP) förhindrar is från att bildas och spridas inuti deras kroppar.

Existensen av dessa AFP har varit känd i decennier, men mekanismerna för denna unika överlevnadsteknik har visat sig vara svåra att avgöra. En ny studie publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences av forskare vid University of Utah och University of California, San Diego visar hur AFP fungerar samtidigt som det ger en riktning för framtida forskning.

Känner igen is innan det är is

AFP förhindrar att vatten fryser genom att omgiva och snabbt binda sig till små iskristaller, där vatten redan har lyckats ordna sig till ett isgitter. Vänster utan uppsikt, dessa kristaller skulle annars fungera som frön och fortsätta att sprida sin beställning till närliggande vattenmolekyler. Den rådande hypotesen för hur AFP:er stoppar denna mekanism har varit förbeställning av ett isliknande skikt av vatten nära platsen för proteinet som binder till isytan. Dock, främst på grund av svårigheten att isolera denna lilla region i experiment från den omgivande isen och vattnet, detta hade ännu inte bevisats, säger U. kemiprofessor Valeria Molinero.

Med fokus på AFP av mjölmaskbaggen, Tenebrio molitor ( Tm AFP), studien syftade till att testa denna hypotes genom teoretiska metoder vid olika upplösningar av rum och tid. Molinero har specialiserat sig på att simulera is i större skalor och tillämpade denna expertis på ett system med Tm AFP i vatten som närmar sig en isyta. Med denna inställning, hon och hennes doktorand Arpa Hudait observerade proteinet sakta tumla över isytan. De upptäckte att för att hålla fast vid isen, Allt Tm AFP kräver är att vara parallell med ytan.

Viktigt, dock, denna förankring krävde ingen tidigare ordning av vattnet i en isliknande struktur. "Den långsamma rörelsen av proteinet för att vara parallell med isytan följs omedelbart av en snabb omorientering av det närliggande vattnet för att binda proteinet till isen, " säger Hudait. Hos insekter som mjölmaskbaggen, denna bindning av många AFP:er till utvecklande iskristaller förhindrar ytterligare kristallisation av is i deras kroppar.

Hur man ser hur det händer

Men Molineros metoder saknade den noggrannhet som var nödvändig för att skapa spektroskopiska förutsägelser om hur den bindande händelsen skulle se ut för spektroskopiska instrument. Med sin mycket exakta vattenmodell, Francesco Paesani från UCSD, och hans postdoktorala forskare, Daniel Moberg, samarbetade med Molinero och hennes team för att beräkna både infraröda och Raman -spektra med en aldrig tidigare skådad noggrannhet. "Simuleringar har fördelen att de kan isolera alla önskade regioner, även om detta bara är användbart om den underliggande teorin är tillräckligt noggrann, "förklarar Paesani.

Detta var den första studien som bestämde signalen från endast strukturerna som förankrade proteinet till isytan, kallas klatrater. "Våra resultat visar att infraröd spektroskopi osannolikt kommer att ge mycket information om den förankrade klatratstrukturen, "säger Moberg." Ramans spektroskopi, dock, bör visa skillnader om experimentister kan isolera signalen från bindningsstället eller förankrat klatrat. "

Fynden kan ge insikt till studier av iskärnbildande proteiner i atmosfären, som utför den motsatta uppgiften och spelar en roll för att bilda iskristaller i moln. "Vi förutspår att förbeställning kan dyka upp på de stora ytorna av aggregerade iskärnbildande proteiner, där det kan tjäna den motsatta rollen av att hjälpa till med iskärnbildning i moln, "Säger Molinero.

Det finns ett utbrett intresse för att lära sig att härma frysskyddsmekanismen hos AFP, tillägger hon, med applikationer från organkonservering till planavisning. "Det finns en stor potentiell marknad för frostskyddsmedel baserat på samma mekanism - men om du inte förstår mekanismen är det svårt att definiera och optimera molekyler."