In che modo gli insetti sopravvivono ai rigidi inverni settentrionali? A differenza dei mammiferi, non hanno spessi cappotti di pelliccia per stare al caldo. Ma hanno l'antigelo. Le proteine ​​antigelo (AFP) impediscono la formazione e la diffusione del ghiaccio all'interno dei loro corpi.

L'esistenza di questi AFP è nota da decenni, ma i meccanismi che governano questa tecnica di sopravvivenza unica si sono rivelati difficili da determinare. Un nuovo studio pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze dai ricercatori dell'Università dello Utah e dell'Università della California, San Diego mostra come funzionano gli AFP fornendo anche una direzione per la ricerca futura.

Riconoscere il ghiaccio prima che sia ghiaccio

Gli AFP impediscono il congelamento dell'acqua circondando e legandosi rapidamente a piccoli cristalli di ghiaccio, dove l'acqua è già riuscita a ordinarsi in un reticolo di ghiaccio. Lasciato incustodito, questi cristalli altrimenti agirebbero come semi e continuerebbero a diffondere il loro ordinamento alle molecole d'acqua vicine. L'ipotesi prevalente su come gli AFP fermino questo meccanismo è stata la preordinazione di uno strato d'acqua simile al ghiaccio vicino al sito della proteina che si lega alla superficie del ghiaccio. Però, principalmente a causa della difficoltà di isolare questa piccola regione negli esperimenti dal ghiaccio e dall'acqua circostanti, questo doveva ancora essere dimostrato, dice la professoressa di chimica U. Valeria Molinero.

Concentrandosi sull'AFP del coleottero verme della farina, Tenebrio molitor ( Tm AFP), lo studio mirava a testare questa ipotesi attraverso metodi teorici a diverse risoluzioni di spazio e tempo. Molinero è specializzato nella simulazione del ghiaccio su scala più ampia e ha applicato questa esperienza a un sistema con Tm AFP in acqua che si avvicina a una superficie ghiacciata. Con questa configurazione, lei e la sua studentessa di dottorato Arpa Hudait hanno osservato la proteina rotolare lentamente sopra la superficie del ghiaccio. Scoprirono che per attaccarsi al ghiaccio, Tutti Tm AFP richiede è di essere parallelo alla superficie.

È importante sottolineare che però, questo ancoraggio non richiedeva alcun ordine preventivo dell'acqua in una struttura simile al ghiaccio. "Il lento movimento della proteina per essere parallelo alla superficie del ghiaccio è seguito immediatamente da un rapido riorientamento dell'acqua vicina per legare la proteina al ghiaccio, " dice Hudait. Negli insetti come il verme della farina, questo legame di molti AFP allo sviluppo di cristalli di ghiaccio impedisce l'ulteriore cristallizzazione del ghiaccio nei loro corpi.

Come vederlo accadere

Ma i metodi di Molinero mancavano dell'accuratezza necessaria per creare previsioni spettroscopiche di come sarebbe stato l'evento di legame agli strumenti spettroscopici. Con il suo modello ad acqua estremamente accurato, Francesco Paesani dell'UCSD, e il suo ricercatore post-dottorato, Daniel Moberg, ha collaborato con Molinero e il suo team per calcolare gli spettri infrarossi e Raman con una precisione senza precedenti. "Le simulazioni hanno il vantaggio di poter isolare qualsiasi regione desiderata, sebbene questo sia utile solo se la teoria sottostante è sufficientemente accurata, " spiega Paesani.

Questo è stato il primo studio ad aver determinato il segnale solo dalle strutture che ancorano la proteina alla superficie del ghiaccio, chiamati clatrati. "I nostri risultati mostrano che è improbabile che la spettroscopia a infrarossi fornisca molte informazioni sulla struttura ancorata del clatrato, " dice Moberg. "Spettroscopia Raman, però, dovrebbe mostrare differenze se gli sperimentali possono isolare il segnale dal sito di legame o dal clatrato ancorato".

I risultati possono fornire informazioni sugli studi sulle proteine ​​nucleanti dal ghiaccio nell'atmosfera, che svolgono il compito opposto e svolgono un ruolo nella formazione di cristalli di ghiaccio nelle nuvole. "Prevediamo che il preordine potrebbe emergere sulle grandi superfici delle proteine ​​aggregate che nucleante il ghiaccio, dove può svolgere il ruolo opposto di assistere con la nucleazione del ghiaccio nelle nuvole, "dice Molinero.

C'è un interesse diffuso nell'imparare a imitare il meccanismo antigelo degli AFP, lei aggiunge, con applicazioni dalla conservazione degli organi allo sbrinamento aereo. "C'è un grande mercato potenziale per l'antigelo basato sullo stesso meccanismo, ma se non si comprende il meccanismo è difficile definire e ottimizzare le molecole".