Парадоксальные белки-антифризы, которые помогают выживать при -30°С

НаукаНаука

Как работают белки-антифризы

Богдан Мельник, доктор физико-математических наук, Институт белка РАН

Рис. 1. Гусеница еловой листовертки-почкоеда Choristoneura fumiferana В ранних возрастах гусеницы минируют хвою и листья, то есть прогрызают в них ходы; в старших возрастах оплетают паутинкой хвою и листовую пластинку и скручивают ее в трубку, вызывая их полное усыхание. Зимуют в опавшей хвое, выдерживая морозы до ‑30°С. Именно ее рекомбинантный белок-антифриз исследовался в экспериментах в Институте белка РАН. Фото: Jerald E. Dewey, USDA Forest Service, United States

В лаборатории физики белка Института белка РАН обнаружены и исследованы парадоксальные белки-антифризы, которые помогают животным, растениям и бактериям выживать при отрицательных температурах до -30°С. Физический принцип их действия продолжает исследоваться, но с большой вероятностью эти белки экранируют поверхности мембран в клетке, препятствуя возникновению на них центров кристаллизации льда.

Природные и искусственные антифризы

Экспрессируемые в холоднокровных организмах белки-антифризы, которые мешают образованию льда в их телах и тем самым помогают им выживать даже при экстремально низких температурах, были открыты в 1950‑х годах и с тех пор довольно хорошо изучены. Однако до конца механизм действия этих белков все еще непонятен. Во всяком случае, он не сводится просто к понижению температуры сосуществования льда и воды.

В лаборатории физики белка Института белка РАН, исследуя ледсвязывающий белок (мутантную форму белка-антифриза cfAFP из гусеницы Choristoneura fumiferana, зимующей в хвое), мы обнаружили, что этот белок-антифриз вовсе не понижает температуру замерзания воды и, как ни парадоксально, даже повышает температуру плавления льда. Прежде чем перейти к объяснению этого парадокса, наверное, полезно будет вспомнить о том, как работают вещества, которые обычно используются в качестве природных и искусственных антифризов.

Например, чтобы спирт понизил температуру замерзания воды до ‑30°С, его нужно добавить почти 50%, то есть соотношение молекул спирта и воды должно быть приблизительно один к одному. Такое соотношение необходимо, чтобы молекулы спирта нарушили связи между молекулами воды и не давали им соединиться в структуру льда. В таких же больших концентрациях используют соли, глицерины и другие вещества, понижающие температуру замерзания воды.

Неужели белки-антифризы работают в таких же больших концентрациях, нарушая связи между молекулами воды? Вряд ли! Жидкий «бульон» из молекул белка никому не нужен, ни нам для биотехнологий, ни клеткам для выживания в холодных условиях. В клетках, в которых обнаружены эти белки, соотношение белка-антифриза и молекул воды приблизительно 1:400 000. Это вполне приемлемая концентрация для белка, в том смысле, что такое количество белка клетка вполне способна синтезировать при подготовке «к зиме» и потом утилизировать при подготовке «к лету». Но как же тогда белки-антифризы могут работать в таких низких концентрациях? Каким образом одна молекула белка может повлиять на 400 тыс. молекул воды, чтобы всем им «запретить» замерзать? Такое априори невозможно!

Алексей Финкельштейн, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, выполнил теоретические расчеты, основанные на теории кристаллизации, которые показывают, что при температурах 0°…–30°C лед может возникать только на контактирующих с водой стенках (особенно «рифленых»), но никак не в толще воды. Эти расчеты и дополнительные эксперименты с белком-антифризом позволяют понять физический базис явления.

Смешать, но не взбалтывать!

Из школьных учебников физики мы знаем, что вода замерзает при нуле градусов Цельсия. Действительно, лужи зимой замерзают достаточно быстро, чуть только подморозит. Но если налить в стакан очень чистую воду и поставили ее в морозильную камеру, в которой минус пять градусов, что произойдет? Правильно, ничего! Чистая вода замечательно существует в переохлажденном состоянии.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Внеземной минерал Внеземной минерал

Как томские геологи изучают редкие минералы

Наука
Буль-буль Буль-буль

Фантастический рассказ Владислава Кулигина «Буль-буль»

Знание – сила
Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным за 2024 год Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным за 2024 год

Новые магнитные материалы для спинтроники и поиск противовирусных лекарств

Наука и жизнь
Новые преступные схемы с клиентами СТО. Как не лишиться денег и машины Новые преступные схемы с клиентами СТО. Как не лишиться денег и машины

Как мошенники маскируются под персонал СТО

РБК
Нижний Новгород: без лишних слов Нижний Новгород: без лишних слов

Нижний Новгород – место, где «заезженные эпитеты» имеют право на жизнь

Вокруг света
Абонент не в сети: почему цифровой детокс и отказ от технологий не всегда помогают Абонент не в сети: почему цифровой детокс и отказ от технологий не всегда помогают

Как разумно регулировать свое поведение в соцсетях и в обращении с технологиями

Forbes
Кнут Гамсун Кнут Гамсун

Кнут Гамсун говорил от имени нации и тем сильно её скомпрометировал

Дилетант
От Пушкина до «Твиттера»: как жила и развивалась запрещенная лексика в русской культуре От Пушкина до «Твиттера»: как жила и развивалась запрещенная лексика в русской культуре

Каким был длинный и богатый маршрут русского мата

Maxim
Глаз-синхротрон Глаз-синхротрон

О том, как научить искусственный интеллект понимать, а не угадывать химию

Наука и жизнь
Банановые перспективы российских субтропиков Банановые перспективы российских субтропиков

Инвесторы хотят импортозаместить экзотические фрукты

Агроинвестор
Продавцы воздуха. Как бизнес экономит на потребителях и при чем тут шринкфляция Продавцы воздуха. Как бизнес экономит на потребителях и при чем тут шринкфляция

Где граница между маркетинговой хитростью и нарушением доверия покупателей?

Inc.
В такси на Дубровку В такси на Дубровку

Ищешь живописное место для фотосессии? Советские фильмы знают ответ!

Лиза
Опять и опять «Назад в будущее» Опять и опять «Назад в будущее»

Краткая история ленты «Назад в будущее», вырастившей последнее поколение XX века

Weekend
Дейнотерий – слон с берегов Дона Дейнотерий – слон с берегов Дона

Слоны – одни из самых стабильных в эволюционном плане животных...

Наука и техника
Через санкции к росту Через санкции к росту

Как российская экономика ищет способы сотрудничества с глобальными игроками

Эксперт
История профессора Либреску! Он пережил Холокост и пожертвовал собой при стрельбе в университете История профессора Либреску! Он пережил Холокост и пожертвовал собой при стрельбе в университете

История профессора Ливиу Либреску — это не просто рассказ о героизме

ТехИнсайдер
Между фугой и фуззом Между фугой и фуззом

Современные композиторы, ломающие жанровые барьеры

Weekend
«Профессия научила отстаивать свое мнение»: как женщины работают сварщицами «Профессия научила отстаивать свое мнение»: как женщины работают сварщицами

Как сварщицы борются со стереотипами и за что любят свою работу

Forbes
Установка для очистки отработанных масел УОМ-3М(100) Установка для очистки отработанных масел УОМ-3М(100)

Как установка УОМ-3М(100) очищает отработанное моторное масло

Наука и техника
На Марсе будут расти дома: ученые придумали способ, который решит проблему колонизации На Марсе будут расти дома: ученые придумали способ, который решит проблему колонизации

Как строить из того, что предлагает сам Марс?

Inc.
Автономный шестилапый робот «MICROBRO» Автономный шестилапый робот «MICROBRO»

Как создать ровер, который сам везет ваш багаж туда, куда вам нужно?

Наука и техника
Россия на Ближнем Востоке играет в Realpolitik Россия на Ближнем Востоке играет в Realpolitik

Есть ли у России своя стратегия на Ближнем Востоке?

Монокль
Мировой экономике становится все хуже Мировой экономике становится все хуже

Почему мировая экономика продолжает замедляться

Монокль
Чернохвостые оленихи унаследовали миграционные маршруты матерей Чернохвостые оленихи унаследовали миграционные маршруты матерей

Как самки оленей учатся мигрировать у собственных матерей

N+1
Денис Власенко: «Все-таки мир не черно-белый» Денис Власенко: «Все-таки мир не черно-белый»

Денис Власенко о «супергеройских» ролях и о том, каково это в возрастном гриме

Ведомости
Пустые кресла и забытые письма: одиночество как экспонат Пустые кресла и забытые письма: одиночество как экспонат

Мы приезжаем в музей смотреть не на экспонаты, а внутрь себя

Знание – сила
Вместо фастфуда Вместо фастфуда

ЗОЖ-аналоги бургеров, шаурмы и не только

Лиза
Как накормить искусственный интеллект Как накормить искусственный интеллект

Как обеспечить непрерывную работу ИИ и центров обработки данных?

Ведомости
Традиционная стабильность Традиционная стабильность

Какое место в энергетике будущего будут занимать уголь, нефть и газ

Ведомости
История в фасадах История в фасадах

Число объектов культурного наследия в столице растет

Ведомости
Открыть в приложении