Hoewel dit de reden kan zijn dat banden slippen, pijpen barsten en afgesloten wegen het verkeer tot een nachtmerrie maken, ijs ontstaat niet altijd zo gemakkelijk als het lijkt. Het krijgt vaak hulp van eiwitten gemaakt door schimmels.

Laat staan ​​de algemene gedachte dat er ijs ontstaat bij 0° C (32° F). Hoewel dit het vriespunt van water is, zal zuiver water alleen bevriezen als de temperatuur daalt tot wel min 46° C (minus 50,8° F). Dus waarom bevriest het meestal toch bij nul? Organismen zoals bacteriën, insecten en schimmels produceren eiwitten die bekend staan ​​als ijsnucleatoren (niet-eiwitnucleatoren kunnen ook van abiotische oorsprong zijn). Deze eiwitten kunnen de vorming op gang brengen, of kiemvormingvan ijs bij hogere temperaturen dan waar zuiver water zou bevriezen.

Hoewel de exacte reden waarom schimmels deze eiwitten maken onbekend blijft, hebben onderzoekers Valeria Molinero van de Universiteit van Utah en Konrad Meister van de Boise State College een onderzoek geleid dat meer heeft onthuld over hoe schimmel-ijskiemvormers de ijsvorming efficiënter kunnen bevorderen en tegenhouden dan die. van vele andere levensvormen.

Op weg naar de kern

Organismen die ijskiemvormers kunnen produceren, behoren tot verschillende biologische koninkrijken, maar er wordt aangenomen dat ze onafhankelijk van elkaar hetzelfde vermogen hebben ontwikkeld – een fenomeen dat bekend staat als convergente evolutie. Schimmelijskiemvormers waren een soort raadsel totdat Molinero, Meister en hun staff de kiemvormers bestudeerden die door de schimmel werden geproduceerd. Fusarium acuminatum.

“We vinden ijsbindende en ijsvormende activiteiten Fusarium (ijskiemvormers), wat een mogelijk verband suggereert tussen ijsgroei en remming”, aldus de wetenschappers in een onlangs gepubliceerde studie PNAS.

IJskiemvormers helpen water te bevriezen door snelle kiemvorming, het proces waarbij watermoleculen de vorming van ijskristallen initiëren. Het vormen van een kristal betekent moleculen van H₂O moet zichzelf in specifieke oriëntaties uitlijnen om een ​​stijve roosterstructuur te vormen. Dit begint als een kleine groep van roostervormige moleculen, een ‘kern’ in vloeibaar water. Als deze kern groot genoeg is, zullen er meer watermoleculen op aggregeren totdat er een ijskristal ontstaat.

Dit is voor zuiver water moeilijk om op zichzelf te doen, omdat de beweging van de moleculen het moeilijk maakt om een ​​kern te vormen. IJskiemvormende eiwitten helpen watermoleculen samen te voegen tot een kern. Sommige bacteriële nucleatoren zijn zo effectief dat de bacteriën die ze produceren, worden gebruikt om ze te maken sneeuw bij skigebieden.

Bevroren in mysterie

Fusarium nucleatoren zijn ook zeer efficiënt en effectief. Het staff van Meister en Molinero ontdekte dat deze schimmeleiwitten veel kleiner zijn dan veel van de eiwitten die door bacteriën en andere organismen worden gesynthetiseerd, en dat grote aantallen ervan samenkomen in complexe structuren die helpen bij de vorming van ijs. Zelfs als de niveaus van Fusarium Als eiwitten in het laboratorium werden gereduceerd, konden ze nog steeds het kiemvormingsproces in gang zetten.

De wetenschappers hebben een hypothese over het waarom Fusarium en sommige andere organismen hebben zulke kleine moleculen ontwikkeld die zo efficiënt aggregeren: “We verwachten dat het energetische voordeel voor het organisme bij het produceren van kleinere eiwitten, in plaats van één enkele grote, bijdraagt ​​aan het succes en de adoptie van (deze) strategie onder soorten die dat wel zijn. niet evolutionair gerelateerd”, zeiden ze in dezelfde zin studie.

Een andere vraag – een vraag waarop het antwoord nog niet is uitgekristalliseerd – is waarom schimmels ijskiemvormers gebruiken. Of ze bedoeld zijn om ijsvorming te bevorderen of dat het een incidentele bijwerking is van een ander voordeel dat ze de schimmel opleveren, moet nog worden onderzocht.

Maar wezens zoals kikkers zou ons misschien een aanwijzing kunnen geven. Veel kikkersoorten hebben een natuurlijk antivriesmiddel dat hen in leven houdt terwijl ze tijdens de koudere maanden in een staat van verdoving vallen. Het is niet ongewoon dat ze onder het ijs belanden, maar de in hun cellen geproduceerde ijskiemvormers helpen hen te controleren waar ijs zich vormt, waardoor ze in leven blijven (samen met een antivries gemaakt van ureum en glucose). Sommige soorten nemen ook bacteriën op die helpen bij het proces. Kunnen ijskiemvormers in schimmels deel uitmaken van een soortgelijk antivriessysteem? Op dit second weet niemand het.

Naarmate er steeds meer onduidelijkheden bestaan ​​over biologische en abiotische ijskiemvormers, zouden ze uiteindelijk kunnen worden gebruikt voor efficiëntere methoden voor het invriezen van voedsel, het maken van sneeuw, wolken creërenen mogelijk het cryogene bevriezen van menselijke cellen, wat onlangs plaatsvond succesvol. De toekomst is bevroren.

PNAS, 2023. DOI: 10.1073/pnas.2303243120