Формирование льда: для этого есть грибной белок
Процесс образования льда сложнее, чем кажется. Этот базовый физический процесс, один из самых распространённых в природе, остаётся до конца не изученным, несмотря на десятилетия научных исследований.
Новое исследование Университета Юты, Института полимерных исследований Макса Планка (Германия) и Университета Бойсе штата Айдахо проливает свет на роль биологических агентов — производимых, как ни странно, грибами — в образовании льда.
Вопреки школьным урокам, вода не обязательно замерзает при 0°C из-за энергетического барьера фазовых переходов. Абсолютно чистая вода не замерзнет, пока не охладится до –46°C. Молекулам воды нужны частицы, на которых могут формироваться кристаллы льда — процесс, называемый нуклеацией. Организмы эволюционно развили различные способы контроля образования льда как адаптацию к выживанию в холодных условиях.
Самые эффективные частицы для нуклеации льда имеют биологическое происхождение: их производят бактерии, грибы и даже насекомые. Однако молекулярная основа и точные механизмы работы «биологических ядер льда» до конца не изучены.
Способность гриба контролировать лёд
Теоретический химик Валерия Молинеро из Колледжа науки Университета Юты занимается разгадкой этой тайны, что может улучшить наше понимание влияния жизни на осадки и климат.
В новом исследовании международная команда учёных изучила характеристики и свойства грибных нуклеаторов льда. Выяснилось, что они состоят из небольших белковых субъединиц и играют роль как в стимулировании, так и в ингибировании роста льда.
«Это белки, которые выделяются в окружающую среду, и эти частицы чрезвычайно эффективны для нуклеации льда, — сказала Молинеро. — Но то, как организм извлекает пользу из этой способности, неизвестно, и она присутствует не у всех вариантов организма. Мы не знаем, почему они образуют лёд и есть ли в этом преимущество».
Междисциплинарная команда сосредоточилась на виде гриба Fusarium acuminatum и обнаружила, что он производит сверхмалые белки, которые агрегируют в более крупные частицы. Результаты опубликованы на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Соавтор Конрад Майстер отметил, что механизм формирования крупных агрегатов из мелких строительных блоков встречается и у других организмов, помимо грибов.
«Тем не менее, мы были удивлены малым размером грибных белковых строительных блоков по сравнению с их эффективностью, — сказал Майстер. — Другие известные и столь же эффективные белки, образующие лёд у иных организмов, например, в 25 раз крупнее».
Как организмы эволюционируют разными путями для достижения одного результата
Белки бактерий и грибов могут стимулировать образование льда при температурах от –10 до –2°C. Некоторые бактерии настолько эффективны, что их используют в продуктах для искусственного оснежения на горнолыжных курортах.
Молинеро заинтриговало, что столь разные организмы развили схожие способности к нуклеации льда. Изначально она озаглавила статью «E pluribus unum» («Из многих — единое»), но журнал настоял на отказе от латыни.
«Если посмотреть на царства организмов, способных нуклеировать лёд, то это насекомые, лишайники, бактерии и грибы. Все они, судя по всему, независимо эволюционировали, получив очень мощные нуклеанты льда, — сказала она. — Вся чрезвычайно эффективная нуклеация льда в природе, кажется, осуществляется белками, хотя размер отдельных белков, нуклеирующих лёд, сильно варьируется у разных организмов».
Экологические преимущества нуклеации льда и её роль в формировании облаков и осадков ещё не до конца понятны, что представляет собой значительный пробел в понимании взаимосвязи климата и жизни. Это исследование может повысить эффективность процессов заморозки продуктов, искусственного оснежения и управления облаками.
Однако открытия команды порождают новые вопросы, например, почему и как эти белки агрегируют.
«Другой вопрос: делают ли они это намеренно, или же это просто белок, который они производят для чего-то другого, но он обладает таким свойством», — сказала Молинеро.
Решение этих фундаментальных вопросов потребует совместной работы учёных, обладающих опытом в различных областях химии, биофизики и биологии.
«В этом позитивный посыл. Решение загадки биологического контроля образования льда заставляет учёных сотрудничать, — сказала Молинеро. — У каждого из нас есть часть знаний, но вместе мы можем сделать так много. Это было интересно».