Contrairement à ce qu'on vous a peut-être appris, l'eau ne gèle pas toujours en glace à 32 degrés F (zéro degrés C). Connaissance, ou contrôlant, à quelle température l'eau gèlera (en commençant par un processus appelé nucléation) est d'une importance cruciale pour répondre à des questions telles que s'il y aura ou non assez de neige sur les pistes de ski ou s'il pleuvra ou non demain.

La nature a trouvé des moyens de contrôler la formation de glace, bien que, et dans un article publié aujourd'hui dans le Journal de l'American Chemical Society Valeria Molinero, professeure à l'Université de l'Utah, et ses collègues montrent comment les protéines clés produites par les bactéries et les insectes peuvent favoriser ou inhiber la formation de glace. en fonction de leur longueur et de leur capacité à s'associer pour former de grandes surfaces de fixation de glace. Les résultats ont une large application, notamment pour comprendre les précipitations dans les nuages.

« Nous sommes maintenant en mesure de prédire la température à laquelle la bactérie va nucléer la glace en fonction du nombre de protéines de nucléation de la glace dont elle dispose, " Molinero dit, "et nous sommes capables de prédire la température à laquelle les protéines antigel, qui sont très petits et ne fonctionnent généralement pas à des températures très basses, peut nucléer la glace."

Qu'est-ce que la nucléation de la glace ?

On sait depuis longtemps que la vie aime jouer avec la glace. Insectes, les poissons et les plantes produisent tous diverses formes de protéines antigel pour les aider à survivre dans des conditions sous le point de congélation. Et les phytopathogènes, en particulier la bactérie Pseudomonas syringae , emploient des protéines qui favorisent la formation de glace pour provoquer des dommages chez leurs hôtes. Avant de parler du fonctionnement de ces protéines, bien que, nous avons besoin d'un rappel rapide sur la façon dont la glace gèle.

Eau pure, sans impuretés, ne gèlera pas jusqu'à ce qu'il atteigne -35 degrés C (-31 degrés F). C'est la température à laquelle les molécules d'eau s'organiseront spontanément en un réseau cristallin et commenceront à recruter d'autres molécules pour s'y joindre. Pour démarrer le processus de congélation à des températures plus chaudes, cependant, les molécules d'eau ont besoin de quelque chose à quoi s'accrocher, comme un grain de poussière, suie ou autre impureté, sur laquelle il peut commencer à construire son réseau cristallin. C'est le processus appelé nucléation.

Protéines à nucléation de glace, tels que ceux de Ps. seringues , se lier aux cristallites de glace naissantes de manière à réduire le coût énergétique d'une congélation supplémentaire. Ils peuvent également s'agréger pour améliorer encore leur pouvoir de nucléation. « C'est beaucoup de travail de groupe ! dit Molinero.

Un canon à neige

Ces protéines peuvent être si efficaces qu'elles peuvent nucléer de la glace à des températures aussi chaudes que -2 degrés C (29 degrés F). Les protéines de nucléation de la glace sont déjà utilisées dans les stations de ski, avec Snomax International, basée au Colorado, commercialisant un additif contenant Ps. seringues qui donne un coup de pouce aux machines à neige.

Protéines antigel, cependant, se lie aussi à la glace, mais forcez-le à développer une surface incurvée qui décourage le gel supplémentaire et nécessite des températures beaucoup plus froides pour la croissance de la glace. Aussi, les protéines antigel ne s'agrègent pas ensemble. "Ils ont évolué pour devenir des solitaires, comme leur travail est de trouver de la glace et de s'y tenir, " dit Molinero.

Tout cela était connu auparavant, y compris le fait que les protéines antigel étaient relativement petites et que les protéines nucléant la glace étaient relativement grandes. Ce qui n'était pas connu, bien que, était de savoir comment les tailles et les comportements d'agrégation des protéines affectaient la température de nucléation de la glace. C'est la question à laquelle Molinero et son équipe ont décidé de répondre.

Une "balle unique"

Molinero et les étudiants diplômés Yuqing Qiu et à Arpa Hudait ont mené des simulations moléculaires des interactions des protéines avec les molécules d'eau pour voir comment elles affectaient la température de nucléation de la glace. Protéines antigel et nucléant la glace, Molinero dit, se lier à la glace avec une force presque égale.

"La nature utilise une seule puce en termes d'interactions pour résoudre deux problèmes complètement différents, " dit-elle. " Et la façon dont il s'est résolu entre l'antigel et la nucléation de la glace est en changeant la taille des protéines et leur capacité à s'associer pour former de plus grandes surfaces de liaison à la glace. "

Protéines antigel, ils ont trouvé, nucléé juste au-dessus de -35 degrés C, qui correspond aux données expérimentales. L'allongement des protéines simulées a augmenté la température de nucléation, qui plafonnait après une certaine longueur. Les simulations ont prédit qu'un assemblage supplémentaire d'environ 35 protéines bactériennes dans des domaines plus larges était essentiel pour atteindre les performances de nucléation de la glace de Ps. seringues , avec une température de nucléation de -2 degrés C (29 degrés F).

"Maintenant, nous pouvons concevoir de nouvelles protéines ou matériaux synthétiques qui nucléent la glace à une température spécifique, " dit Molinero.

Pourquoi est-ce important

Les implications d'une telle découverte s'étendent jusqu'à l'avenir de l'eau sur Terre.

Les précipitations commencent sous forme de glace, qui nuclée et croît jusqu'à ce qu'il soit assez lourd pour précipiter. En haute altitude où il fait plus froid, la suie et la poussière peuvent déclencher la nucléation. Mais à basse altitude, ce n'est pas la poussière qui déclenche la nucléation, ce sont les bactéries.

Oui, les mêmes protéines dans Ps. seringues qui facilitent la fabrication de neige dans les stations de ski favorisent également la formation de glace à des températures plus chaudes, permettant aux nuages ​​de basse altitude de se précipiter. Dans un climat qui se réchauffe, Les découvertes de Molinero peuvent aider les modélisateurs climatiques à mieux comprendre les conditions de formation des nuages ​​et des précipitations et à prévoir comment le réchauffement affectera la quantité de nucléation de glace et de précipitations à l'avenir.

"La capacité de prédire si les nuages ​​vont geler ou non est très importante dans les modèles climatiques, parce que la formation de glace détermine les précipitations et aussi le rapport d'énergie solaire absorbée et réfléchie par notre atmosphère, " dit Molinero. " Le défi de prédire si la glace va nucléer ou non dans les nuages ​​est une limitation majeure de la capacité prédictive des modèles météorologiques et climatiques. "

A une échelle beaucoup plus petite, cependant, les protéines antigel et nucléant la glace peuvent être utilisées ensemble dans une danse sur glace affinée :certains insectes utilisent des protéines antigel pour se protéger jusqu'à environ -8 degrés C (18 degrés F), mais utilisent ensuite des protéines de nucléation de la glace à des températures plus basses pour contenir la croissance de la glace avant qu'elle ne devienne incontrôlable.

"La grande image est que nous comprenons maintenant comment les protéines utilisent leur taille et leur agrégation pour moduler combien elles peuvent nucléer la glace, " dit Molinero. "Je pense que c'est assez puissant."