生物帮细菌，植物，昆虫甚至鱼类都使用抗冻蛋白来保护自己免受寒冷。蛋白质阻止冰晶的生长。在一项新的研究中，德国和以色列的研究小组已经证实，这些蛋白质也具有不寻常的第二性质：在低温下，它们可以促进而不是抑制冰晶的生长。
该研究汇集了比勒费尔德大学，耶路撒冷希伯来大学和雷霍沃特(以色列)魏茨曼科学研究所的研究人员。它将于2019年3月7日发表在Journal of Physical Chemistry Letters上。
“我们正在研究特殊的，天然存在的蛋白质如何影响最小的冰晶 - 晶体胚胎，”Thomas Koop教授说。化学家负责比勒费尔德大学的“大气和物理化学”研究小组。“通常，这种蛋白质可确保晶体胚胎被中和，不会长成大块冰晶。” 例如，这对于粉虫甲虫幼虫的存活至关重要。他们使用蛋白质来保护他们的皮肤和体液免受冰晶的破坏。当外界温度下降时，幼虫会在体液中分泌一种抗冻蛋白。蛋白质分子覆盖晶体胚胎的表面，从而防止它们生长到足以破坏细胞的程度。
“相比之下，还有许多其他生物可以从水变成冰中受益，”库普说。这是例如触发冰形成的细菌的情况。它们分泌蛋白质，晶体胚胎可以在其上形成，或者从冷的液态水中成核，然后生长成大的冰晶。例如，细菌可以使用它来分开番茄的皮肤。
到目前为止，科学已将促冰和抑冰蛋白视为两种不同类型的蛋白质。这也表明它们的大小不同：冰抑制蛋白由小分子组成; 大分子的促冰蛋白。
然而，新的实验表明，“一种抗冻分子不仅可以抑制冰的生长，还可以引发其生长，”Koop说。
科学家测试了两种天然存在的抗冻蛋白：甲虫甲虫幼虫的蛋白质和海洋噘嘴的蛋白质。他们观察了蛋白质对Weizmann研究所开发的薄微流体芯片的影响，这些微流体芯片渗透着带微滴陷阱的显微镜小通道。他们用纯蒸馏水加入一定浓度的特定蛋白质。然后他们将这种蛋白质溶液注入芯片中。在芯片中，在液滴捕集器中收集微小的水滴。然后他们将芯片放置在温度控制的冷却室中，冷却室将其冷却至零下40度。
“我们芯片中的纯滴实际上应首先在零下38.4度处冻结，”Koop说。然而，相反的情况发生了。“当滴剂中含有据称含有冰的抑制性抗冻蛋白时，冰晶胚胎已经开始在温暖的温度下形成并生长。” 因此，在粉虫甲虫幼虫的蛋白质的情况下，所有滴剂的一半已经开始在-33.9度下冻结。“这使我们能够证明抗冻蛋白质是否具有阻冰或促冰性能取决于温度。多年来人们一直在猜测这种蛋白质的矛盾情绪，但我们是第一个通过实验证实这一点，”来自耶路撒冷希伯来大学的Ido Braslavsky教授。教授博士
该研究的一些实验在比勒费尔德大学进行。补充冷冻实验和用于研究水以及蛋白质溶液的芯片来自雷霍沃特的魏茨曼科学研究所。在雷霍沃特校区的耶路撒冷希伯来大学生产了粉虫甲虫和鱼类幼虫的抗冻蛋白。在那里也证实了对相同蛋白质溶液的冰抑制作用。
抑制冰和促冰的蛋白质不仅在自然界中很常见。如今，它们也被用作技术辅助工具。例如，清漆中的防冻蛋白质可以帮助保护涂漆表面免受霜冻。蛋白质也可以添加到冰淇淋中，以帮助保持乳脂状。冰形成蛋白质用于例如滑雪场，以便人造雪已经可以在零下3度的温度下产生，而不必等待温度进一步下降。
