¿Cómo sobreviven los insectos a los duros inviernos del norte? A diferencia de los mamíferos, no tienen abrigos gruesos de piel para mantenerse calientes. Pero tienen anticongelante. Las proteínas anticongelantes (AFP) evitan que el hielo se forme y se extienda dentro de sus cuerpos.

La existencia de estas AFP se conoce desde hace décadas, pero los mecanismos que gobiernan esta técnica de supervivencia única han resultado difíciles de determinar. Un nuevo estudio publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias por investigadores de la Universidad de Utah y la Universidad de California, San Diego muestra cómo funcionan las AFP al mismo tiempo que proporciona una dirección para futuras investigaciones.

Reconociendo el hielo antes que es hielo

Las AFP evitan que el agua se congele rodeando y adhiriéndose rápidamente a pequeños cristales de hielo, donde el agua ya ha logrado ordenarse en una celosía de hielo. Dejado desatendido, estos cristales actuarían de otra manera como semillas y continuarían extendiendo su orden a las moléculas de agua vecinas. La hipótesis predominante de cómo las AFP detienen este mecanismo ha sido el preordenar una capa de agua similar al hielo cerca del sitio de la proteína que se une a la superficie del hielo. Sin embargo, principalmente debido a la dificultad de aislar esta pequeña región en experimentos del hielo y el agua circundantes, esto aún no se había probado, dice la profesora de química de la U. Valeria Molinero.

Centrándonos en la AFP del escarabajo del gusano de la harina, Tenebrio molitor ( Tm AFP), el estudio tuvo como objetivo probar esta hipótesis a través de métodos teóricos en diferentes resoluciones de espacio y tiempo. Molinero se especializa en simular hielo a mayor escala y aplicó esta experiencia a un sistema con Tm AFP en agua acercándose a una superficie de hielo. Con esta configuración, ella y su estudiante de doctorado Arpa Hudait observaron que la proteína caía lentamente sobre la superficie del hielo. Descubrieron que para agarrarse al hielo, todos Tm AFP requiere que sea paralelo a la superficie.

En tono rimbombante, sin embargo, este anclaje no requirió ningún ordenamiento previo del agua en una estructura similar al hielo. "El lento movimiento de la proteína para que sea paralelo a la superficie del hielo es seguido inmediatamente por una rápida reorientación del agua cercana para unir la proteína al hielo, "Dice Hudait. En insectos como el escarabajo del gusano de la harina, esta unión de muchas AFP a los cristales de hielo en desarrollo evita una mayor cristalización del hielo en sus cuerpos.

Cómo verlo pasar

Pero los métodos de Molinero carecían de la precisión necesaria para crear predicciones espectroscópicas de cómo se vería el evento vinculante para los instrumentos espectroscópicos. Con su modelo de agua de alta precisión, Francesco Paesani de UCSD, y su investigador postdoctoral, Daniel Moberg, colaboró ​​con Molinero y su equipo para calcular los espectros infrarrojos y Raman con una precisión sin precedentes. "Las simulaciones tienen la ventaja de poder aislar cualquier región deseada, aunque esto solo es útil si la teoría subyacente es lo suficientemente precisa, "explica Paesani.

Este fue el primer estudio que determinó la señal de solo las estructuras que anclan la proteína a la superficie del hielo. llamados clatratos. "Nuestros resultados muestran que es poco probable que la espectroscopia infrarroja proporcione mucha información sobre la estructura del clatrato anclado, "dice Moberg." Espectroscopía Raman, sin embargo, debería mostrar diferencias si los experimentadores pueden aislar la señal del sitio de unión o del clatrato anclado ".

Los hallazgos pueden dar una idea de los estudios de las proteínas que nuclean el hielo en la atmósfera, que realizan la tarea opuesta y juegan un papel en la formación de cristales de hielo en las nubes. "Predecimos que el preorden podría surgir en las grandes superficies de proteínas nucleantes de hielo agregadas, donde puede desempeñar el papel opuesto de ayudar con la nucleación del hielo en las nubes, "Dice Molinero.

Existe un interés generalizado en aprender a imitar el mecanismo anticongelante de las AFP, ella agrega, con aplicaciones desde la preservación de órganos hasta el deshielo plano. "Existe un gran mercado potencial para el anticongelante basado en el mismo mecanismo, pero si no se comprende el mecanismo, es difícil definir y optimizar las moléculas".