Междисциплинарная команда ученых под руководством Конрада Мейстера из Института полимерных исследований общества Макса Планка обнаружила, что процесс замерзания воды могут контролировать особые белки, вырабатываемые бактериями. Эти белки, названные ледяными нуклеирующими белками (INP), способны формировать льдообразующие структуры, опережая по эффективности все известные материалы.
Процесс замерзания воды требует не только температур ниже 0 , но и присутствия начального кристалла льда. В его отсутствие вода может оставаться в жидком состоянии даже при температуре до −40 °C — это явление известно как переохлаждение. Однако в природе существуют механизмы, предотвращающие переохлаждение, и особую роль здесь играют бактерии, которые вырабатывают INP для создания начальных структур льда. Эти белки расположены на внешней мембране бактерий и подражают структуре воды, тем самым ускоряя процесс кристаллизации.
Для формирования полноценного льда несколько таких белков должны собраться в агрегаты — упорядоченные структуры, способные запускать замерзание при температурах, близких к 0 . Однако до сих пор ученые не знали точное количество белков, необходимое для запуска процесса, и механизм их соединения. Команда Мейстера провела детальные эксперименты, наблюдая активность бактерий Pseudomonas syringae при охлаждении до −30 °C, и обнаружила, что существует несколько типов агрегатов INP, а не два, как предполагалось ранее.
Для дальнейшего изучения специалисты использовали продвинутые методы моделирования структуры белков, что позволило точно определить размеры агрегатов, необходимых для замерзания воды. Анализ показал, что для начала процесса замораживания достаточно всего шести белков в одном агрегате. Эти белки, как выяснилось, сначала формируют устойчивые димеры, которые затем объединяются в более крупные структуры с помощью электростатических взаимодействий.
«Мы впервые смогли усилить активность бактериальных нуклеаторов льда и повысить их стабильность перед изменяющимися условиями окружающей среды», — комментирует ведущий автор исследования Галит Ренцер. Ученые нашли способ увеличения размера агрегатов INP, стабилизируя рН и добавляя простые соли, что позволяет добиться высокой устойчивости.
Эти открытия имеют практическое значение в различных областях, включая уже известное производство искусственного снега. Повышенная активность и устойчивость INP также открывают новые перспективы в области криоконсервации — от замораживания органов для трансплантации до сохранения семян и тканей. Кроме того, изучение этих белков дает ценную информацию, которая может быть полезна для управления эффектами изменения климата.
Ранее инженеры разработали технологию, которая полностью предотвращает образование инея.