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

«Al кардинально изменит роль химика-исследователя» «Al кардинально изменит роль химика-исследователя»

Почему без искусственного интеллекта не достичь заметных результатов в науке

Наука
Алло, гараж! Алло, гараж!

Как, зачем и для кого в России создают мотоциклы на заказ

Men Today
Ольга Бычкова: «Российская наука застряла между глобальным Югом и Севером» Ольга Бычкова: «Российская наука застряла между глобальным Югом и Севером»

С какими вызовами столкнулась российская наука и как они влияют на работу ученых

РБК
Шестой Шестой

Новый 4Runner: пятнадцать лет спустя

Автопилот
Самая обаятельная и привлекательная Самая обаятельная и привлекательная

Что это за качество — харизма — и можно ли его в себе развить?

VOICE
Страшно влиятельный доктор Страшно влиятельный доктор

Из чего 105 лет назад появился первый хоррор

Weekend
Села батарейка: как дефициты отражаются на нашем организме Села батарейка: как дефициты отражаются на нашем организме

Чувствуете себя вечно усталым? Добро пожаловать в мир скрытых дефицитов

Правила жизни
Пушкин — герой карнавала Пушкин — герой карнавала

Громкая премьера середины февраля — фильм «Пророк. История Александра Пушкина»

Монокль
Еда, любовь и алкоголь: 6 книг о современных зависимостях Еда, любовь и алкоголь: 6 книг о современных зависимостях

Подборка книг, которая изучает зависимости с разных сторон

Psychologies
Потребительский терроризм и конфиденциальность данных: подводные камни при управлении салоном красоты Потребительский терроризм и конфиденциальность данных: подводные камни при управлении салоном красоты

Ключевые ошибки, которые совершают бизнесмены в бьюти-сфере

Inc.
«Звери рейха. Образы животных и немецкая пропаганда» «Звери рейха. Образы животных и немецкая пропаганда»

Как евгеника определила облик немецкой овчарки

N+1
«Служебный роман» наоборот: как влюбить в себя начальника (профессионально, конечно!) «Служебный роман» наоборот: как влюбить в себя начальника (профессионально, конечно!)

Какими качествами обладает идеальный сотрудник?

Maxim
Связанные одной целью Связанные одной целью

Можно ли в одном организме объединить несколько разных существ?

Вокруг света
Молодость навсегда Молодость навсегда

Важные бьюти-ингредиенты, которые помогают нам дольше оставаться молодыми

Лиза
Поздравляем, это Ходжкин — опыт лечения лимфомы от первого лица Поздравляем, это Ходжкин — опыт лечения лимфомы от первого лица

Личная история борьбы с лимфомой Ходжкина

СНОБ
Родина акушерского туризма Родина акушерского туризма

Зачем Вологодскую область хотят сделать привлекательной для рожениц

Ведомости
Встреча с ними может обернуться трагедией: 5 самых опасных птиц на планете Встреча с ними может обернуться трагедией: 5 самых опасных птиц на планете

Пернатые, встреча с которыми может сулить реальную угрозу

ТехИнсайдер
Миллион за каждый км/ч. Мы познакомились с самой дорогой машиной в России Миллион за каждый км/ч. Мы познакомились с самой дорогой машиной в России

Bugatti Chiron: мощный и бескомпромиссный, самый быстрый и дорогой

РБК
Хорошо там, где нас нет? Хорошо там, где нас нет?

На смену синдрому FOMO пришел FOBI. Почему теперь мы вовсе не хотим вовлекаться?

Grazia
5 способностей животных, которые недоступны людям 5 способностей животных, которые недоступны людям

Как было бы круто, если бы обладали этими способностями животных

Maxim
Орхидея отрастила «палец» для самоопыления Орхидея отрастила «палец» для самоопыления

Как орхидея адаптировалась к нехватке опылителей в темном подлеске

N+1
Морщины ни при чем Морщины ни при чем

Почему не стоит переживать из-за морщин и над чем стоит поработать

Afternoon Seasons of life
Сбитнем по рынку: как монастырский рецепт привел к 120 млн рублей выручки Сбитнем по рынку: как монастырский рецепт привел к 120 млн рублей выручки

Как сбитень постепенно превращается из нишевого продукта в массовый?

Forbes
Вернись с ответом Вернись с ответом

Каким должно быть сопроводительное письмо, чтобы взяли на работу мечты

VOICE
Мышь против 007 Мышь против 007

Краткая история «Тома и Джерри»

Weekend
Рома Декабрев: Очередная попытка выстроить новую искренность, вероятнее всего, окажется лишь новой имитацией искренности Рома Декабрев: Очередная попытка выстроить новую искренность, вероятнее всего, окажется лишь новой имитацией искренности

Рома Декабрев — как поиск персональной истины помогает обретать новые смыслы

СНОБ
Техника уступила еде Техника уступила еде

Как вырос объем интернет-торговли в России

Ведомости
Молот Трампа бьет неумолимо, но сил в руке мало Молот Трампа бьет неумолимо, но сил в руке мало

Экономические аспекты введения торговых пошлин США

Монокль
Анна Слоникова Анна Слоникова

Анна Слоникова переодела главного редактора нашего сердца в архивы Old Celine

Собака.ru
«Сплошные уроды, еще и с двойным дном». Актер Илья Любимов о «Пророке», Жуковском, гениальности и «новых героях» «Сплошные уроды, еще и с двойным дном». Актер Илья Любимов о «Пророке», Жуковском, гениальности и «новых героях»

Актер Илья Любимов — о плате за гениальность и упрощении поп-культуры

СНОБ
Открыть в приложении