Как белки-затравщики льда управляют замерзанием: учёные раскрыли механизм работы ледообразующих бактерий

Особые белки-затравщики льда (INPs), производимые некоторыми бактериями, обладают способностью контролировать точку замерзания воды — настолько эффективно, что никакой другой известный материал не может с ними конкурировать.

Междисциплинарная группа под руководством Конрада Майстера из Института полимерных исследований Макса Планка раскрыла, как работают эти белки и как можно точно регулировать их активность. Результаты показывают, что для достижения максимальной активности достаточно всего нескольких собранных белков, и что они предпочтительно собираются в определённых условиях. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Для замерзания воды недостаточно температуры ниже 0°C; также необходима начальная ледяная затравка (ядро), чтобы запустить кристаллизацию. Без этого ядра вода может оставаться жидкой благодаря явлению переохлаждения, даже до -40°C.

Природа выработала механизмы, позволяющие избежать переохлаждения, способствуя образованию ледяных ядер, особенно у некоторых видов бактерий. Эти микроорганизмы используют специализированные белки-затравщики льда (INPs), расположенные на их внешней мембране, чтобы заставить молекулы воды формировать структуры, похожие на лёд.

Но чтобы служить эффективными затравками для ледяных кристаллов, несколько белков INP должны собираться в агрегаты. Экспериментальные наблюдения предполагали существование всего двух размеров агрегатов, причём более крупные и упорядоченные структуры позволяли воде замерзать при температурах, близких к 0°C.

Однако оставалось неясным, сколько именно белков нужно для этих агрегатов и как они собираются. Исследователи под руководством Конрада Майстера подошли к этим вопросам междисциплинарно. Они детально изучили активность бактерий вида Pseudomonas syringae при охлаждении до -30°C и обнаружили, что существует больше двух изначально предполагаемых классов агрегатов.

Поскольку точная структура INP остаётся экспериментально не определённой, для моделирования структуры белка использовались современные методы структурного предсказания. Группа под руководством Валерии Молинеро из Университета Юты использовала эти модели в качестве основы для передовых вычислительных методов, чтобы определить критические размеры агрегатов, необходимые для наблюдаемой активности замерзания, что дало понимание взаимосвязи между структурой белка и его функцией.

Исследование показало, что сначала образуются высокостабильные димеры, состоящие из двух белков. Затем эти димеры выступают в качестве строительных блоков, собираясь в более крупные структуры посредством электростатических взаимодействий. Примечательно, что было обнаружено, что агрегаты, состоящие всего из шести белков, достаточны для исключительно эффективного запуска процесса замерзания.

Междисциплинарная команда также нашла способ способствовать образованию более крупных агрегатов, стабилизируя pH и добавляя простые соли. Эти знания важны для приложений, таких как уже налаженное производство искусственного снега.

«Впервые нам удалось повысить активность бактериальных затравщиков льда и улучшить их стабильность в условиях изменяющейся окружающей среды», — говорит Галит Рензер, ведущий автор исследования.

«Это не только открывает новые возможности для инновационных применений, таких как криоконсервация, но и даёт ценную информацию для борьбы с последствиями изменения климата».