Белки-антифризы: как живые организмы выживают на холоде

Растения и животные холодных климатов производят естественные белки-антифризы (AFPs), которые предотвращают рост и кристаллизацию льда в органических жидкостях. Без них живые ткани пострадали бы от обморожения.

Международная группа учёных из Израиля, США и Канады исследовала механизм работы этих белков, что важно для пищевой промышленности и медицины.

Разгадка механизма

Несмотря на 50 лет исследований, механизм действия AFPs оставался неясным. Ключевые споры касались обратимости связывания белков со льдом и необходимости их постоянного присутствия в растворе для подавления роста кристаллов.

Исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме (лаборатория доктора Идо Браславского) совместно с коллегами из Университета Огайо, Университета Квинс (Канада) и Калифорнийского университета в Сан-Диего изучили гиперактивный AFP желтого мучного червя. Его эффективность в сотни раз выше, чем у белков рыб и растений.

Эксперимент и результаты

Учёные создали флуоресцентно меченую версию белка для прямого наблюдения под микроскопом. Его вводили в микрофлюидные устройства с каналами микронного диаметра, помещенные в охлаждающие блоки с точностью контроля температуры до тысячных долей градуса. Это позволило контролируемо выращивать и плавить кристаллы льда размером 20–50 микрометров.

С помощью этой системы было показано, что:

1. Лёд, выращенный в растворе антифриза, остаётся покрытым белком и защищённым.
2. AFPs связываются со льдом настолько прочно, что предотвращают его рост даже после удаления белка из раствора.

Практическое значение

• Пищевая промышленность: Белки-антифризы рыб уже используются в нежирном мороженом для предотвращения перекристаллизации льда и сохранения мягкой текстуры. Их можно применять и в других замороженных продуктах.
• Медицина: AFPs могут улучшить качество замороженных спермы, яйцеклеток и эмбрионов, а также способствовать криоконсервации органов для трансплантации. Также они перспективны для криохирургии.
• Сельское хозяйство: Исследования сосредоточены на создании рекомбинантных растений и рыб с повышенной выживаемостью в условиях холода и обезвоживания, что может улучшить мировое распределение продовольствия.

Исследование поддержано Национальным научным фондом (США), Фондом науки Израиля, Европейским исследовательским советом и Канадскими институтами исследований в области здравоохранения. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.