Al contrario de lo que te hayan enseñado, el agua no siempre se congela hasta convertirse en hielo a 32 grados F (cero grados C). Conocimiento, o controlando, A qué temperatura se congelará el agua (comenzando con un proceso llamado nucleación) es de vital importancia para responder preguntas como si habrá suficiente nieve en las pistas de esquí o si lloverá mañana.

La naturaleza ha ideado formas de controlar la formación de hielo, aunque, y en un artículo publicado hoy en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense La profesora de la Universidad de Utah Valeria Molinero y sus colegas muestran cómo las proteínas clave producidas en bacterias e insectos pueden promover o inhibir la formación de hielo. en función de su longitud y su capacidad para unirse para formar grandes superficies de unión al hielo. Los resultados tienen una amplia aplicación, particularmente en la comprensión de la precipitación en las nubes.

"Ahora podemos predecir la temperatura a la que la bacteria nucleará el hielo dependiendo de cuántas proteínas nucleantes de hielo tenga, "Molinero dice, "y podemos predecir la temperatura a la que las proteínas anticongelantes, que son muy pequeñas y normalmente no funcionan a temperaturas muy bajas, puede nuclear hielo ".

¿Qué es la nucleación del hielo?

Se sabe desde hace mucho tiempo que a la vida le gusta meterse con el hielo. Insectos todos los peces y plantas producen diversas formas de proteínas anticongelantes para ayudarlos a sobrevivir en condiciones bajo cero. Y patógenos de plantas, particularmente la bacteria Pseudomonas syringae , emplean proteínas que promueven la formación de hielo para inducir daño en sus huéspedes. Antes de que podamos hablar sobre cómo funcionan estas proteínas, aunque, necesitamos un repaso rápido sobre cómo se congela el hielo.

Agua pura, sin impurezas, no se congelará hasta que alcance los -35 grados C (-31 grados F). Esa es la temperatura a la que las moléculas de agua se organizarán espontáneamente en una red cristalina y comenzarán a reclutar otras moléculas para que se unan. Para comenzar el proceso de congelación a temperaturas más cálidas, sin embargo, las moléculas de agua necesitan algo a lo que agarrarse, como una mota de polvo, hollín u otra impureza, sobre el que puede empezar a construir su celosía cristalina. Este es el proceso llamado nucleación.

Proteínas nucleantes de hielo, como los de PD. Syringae , se unen a los cristalitos de hielo nacientes de tal manera que se reduzca el costo energético de la congelación adicional. También pueden agregarse para mejorar aún más su poder de nucleación. "¡Es mucho trabajo en grupo!" Dice Molinero.

Un cañón de nieve

Estas proteínas pueden ser tan eficientes que pueden nuclear hielo a temperaturas tan cálidas como -2 grados C (29 grados F). Las proteínas nucleadoras de hielo ya se están utilizando en las estaciones de esquí, con Snomax International, con sede en Colorado, comercializando un aditivo que contiene PD. Syringae eso le da un impulso a las máquinas de fabricación de nieve.

Proteínas anticongelantes, sin embargo, también se unen al hielo, pero obligarlo a desarrollar una superficie curva que desalienta la congelación adicional y requiere temperaturas mucho más frías para que el hielo crezca. También, Las proteínas anticongelantes no se agregan. "Han evolucionado para ser solitarios, ya que su trabajo es encontrar hielo y mantenerlo, "Dice Molinero.

Todo esto se conocía previamente, incluido el hecho de que las proteínas anticongelantes eran relativamente pequeñas y las proteínas que nucleaban el hielo eran relativamente grandes. Lo que no se sabía aunque, Fue así como los tamaños y los comportamientos de agregación de las proteínas afectaron la temperatura de nucleación del hielo. Esa es la pregunta que Molinero y su equipo se propusieron responder.

Una "sola bala"

Molinero y los estudiantes de posgrado Yuqing Qiu y en Arpa Hudait realizaron simulaciones moleculares de interacciones de proteínas con moléculas de agua para ver cómo afectaban la temperatura de nucleación del hielo. Proteínas anticongelantes y nucleantes de hielo, Molinero dice, se unen al hielo con casi la misma fuerza.

"La naturaleza está usando una sola bala en términos de interacciones para abordar dos problemas completamente diferentes, ", dice." Y la forma en que se ha resuelto entre el anticongelante o la nucleación del hielo es cambiando el tamaño de las proteínas y su capacidad para unirse para formar superficies más grandes de unión al hielo ".

Proteínas anticongelantes, ellos encontraron, nucleado justo por encima de -35 grados C, que coincidió con los datos experimentales. El alargamiento de las proteínas simuladas aumentó la temperatura de nucleación, que se estancó después de una cierta longitud. Las simulaciones predijeron que el ensamblaje adicional de alrededor de 35 proteínas bacterianas en dominios más grandes era clave para alcanzar el rendimiento de nucleación de hielo de PD. Syringae , con una temperatura de nucleación de -2 grados C (29 grados F).

"Ahora podemos diseñar nuevas proteínas o materiales sintéticos que nucleen el hielo a una temperatura específica, "Dice Molinero.

Por que importa

Las implicaciones de tal hallazgo se extienden hasta el futuro del agua en la Tierra.

La precipitación comienza como hielo, que se nuclea y crece hasta que es lo suficientemente pesado como para precipitar. En altitudes elevadas donde hace más frío el hollín y el polvo pueden desencadenar la nucleación. Pero en altitudes más bajas, no es el polvo lo que desencadena la nucleación, son las bacterias.

Sí, las mismas proteínas en PD. Syringae que ayudan a la fabricación de nieve en las estaciones de esquí también ayudan a la formación de hielo a temperaturas más cálidas, permitiendo que las nubes de baja altitud se precipiten. En un clima cálido, Los hallazgos de Molinero pueden ayudar a los modeladores climáticos a comprender mejor las condiciones de formación de nubes y precipitación y pronosticar cómo el calentamiento afectará la cantidad de nucleación de hielo y precipitación en el futuro.

"La capacidad de predecir si las nubes se congelarán o no es muy importante en los modelos climáticos, porque la formación de hielo determina la precipitación y también la proporción de energía solar absorbida y reflejada por nuestra atmósfera, Molinero dice:"El desafío de predecir si el hielo se va a nuclear o no en las nubes es una limitación importante para la capacidad de predicción de los modelos meteorológicos y climáticos".

A una escala mucho menor, sin embargo, las proteínas anticongelantes y nucleadoras de hielo pueden emplearse juntas en una danza de hielo afinada:algunos insectos usan proteínas anticongelantes para protegerse hasta alrededor de -8 grados C (18 grados F), pero luego emplean proteínas que nuclean el hielo a temperaturas más bajas para contener el crecimiento del hielo antes de que se salga de control.

"El panorama general es que ahora entendemos cómo las proteínas usan su tamaño y agregación para modular la cantidad de hielo que pueden nuclear". Molinero dice:"Creo que esto es bastante poderoso".