Bochum-forskare har upptäckt hur naturligt frostskyddsmedel fungerar för att skydda fiskar i Ishavets isiga vatten från att frysa ihjäl. De kunde observera att ett frostskyddsprotein i fiskens blod påverkar vattenmolekylerna i dess närhet så att de inte kan frysa, och allt förblir flytande. Här finns det ingen kemisk bindning mellan protein och vatten - bara närvaron av proteinet räcker.
Tillsammans med samarbetspartners från USA beskriver forskarna kring Prof. Dr. Martina Havenith (Physical Chemistry II vid RUB) sin upptäckt i en Rapid Communication i Journal of the American Chemical Society (JACS).
Bättre än hushållsfrostskydd
Temperaturer på minus 1,8 °C borde verkligen räcka för att frysa vilken fisk som helst: fryspunkten för fiskblod är ungefär minus 0,9 °C. Hur antarktiska fiskar kan fortsätta röra sig vid dessa temperaturer har länge intresserat forskare. Så länge som för 50 år sedan hittades speciella frostskyddsproteiner i blodet hos dessa fiskar. Dessa så kallade frostskyddsmedel fungerar bättre än något hushållsskyddsmedel. Hur de fungerar var dock fortfarande oklart.
Bochum-forskarna använde en speciell teknik, terahertz-spektroskopi, för att reda ut den underliggande mekanismen. Med hjälp av terahertzstrålning kan den samlade rörelsen av vattenmolekyler och proteiner registreras. Därmed har arbetsgruppen redan kunnat visa att vattenmolekyler, som vanligtvis utför en permanent dans i flytande vatten, och ständigt kommer in i nya band, dansar en mer ordnad dans i närvaro av proteiner – "disco-dansen blir en menuett" säger prof. Havenith.
Souvenir från en antarktisexpedition
Ämnet för de aktuella undersökningarna var frostskyddsglykoproteinerna från den antarktiska tandfisken Dissostichus mawsoni, som en av de amerikanska partnerna, Arthur L. Devries, själv hade fiskat på en antarktisk expedition.
"Vi kunde se att proteinet har en särskilt långvägseffekt på vattenmolekylerna runt det. Vi talar om ett utökat dynamiskt hydreringsskal", säger medförfattaren Konrad Meister.
"Denna effekt, som förhindrar iskristallisation, är ännu mer uttalad vid låga temperaturer än vid rumstemperatur", tillägger Prof. Havenith.
Ändå skulle lägre temperaturer behövas för att frysa vattnet. Komplexbildning av AFP med borat minskar kraftigt antifrysaktiviteten. I det här fallet fann forskarna inte heller någon förändring i terahertzdansen. Forskarnas resultat ger bevis för en ny modell av hur AFGP förhindrar att vatten fryser: Frostskyddsaktivitet uppnås inte genom en enda molekylär bindning mellan proteinet och vattnet, utan AFP stör istället det vattenh altiga lösningsmedlet över långa avstånd. Undersökningen visade för första gången ett direkt samband mellan ett proteins funktion och dess signatur i terahertz-intervallet.
Undersökningarna finansierades av Volkswagen Foundation.
