Comment les insectes survivent-ils aux rudes hivers nordiques? Contrairement aux mammifères, ils n'ont pas d'épais manteaux de fourrure pour se réchauffer. Mais ils ont de l'antigel. Les protéines antigel (AFP) empêchent la glace de se former et de se propager à l'intérieur de leur corps.

L'existence de ces AFP est connue depuis des décennies, mais les mécanismes régissant cette technique de survie unique se sont avérés difficiles à déterminer. Une nouvelle étude publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences par des chercheurs de l'Université de l'Utah et de l'Université de Californie, San Diego montre comment fonctionnent les AFP tout en fournissant une orientation pour les recherches futures.

Reconnaître la glace avant qu'elle ne soit de la glace

Les AFP empêchent l'eau de geler en entourant et en se liant rapidement aux petits cristaux de glace, où l'eau a déjà réussi à s'ordonner en un treillis de glace. Laissé sans surveillance, ces cristaux agiraient autrement comme des graines et continueraient à étendre leur ordre aux molécules d'eau voisines. L'hypothèse dominante sur la façon dont les AFP arrêtent ce mécanisme a été la pré-commande d'une couche d'eau semblable à de la glace près du site de la protéine qui se lie à la surface de la glace. Cependant, principalement en raison de la difficulté d'isoler cette petite région dans les expériences de la glace et de l'eau environnantes, cela reste à prouver, explique Valeria Molinero, professeur de chimie à l'U.

En se concentrant sur l'AFP du coléoptère du ténébrion, Tenebrio molitor ( Tm AFP), l'étude visait à tester cette hypothèse par des méthodes théoriques à différentes résolutions d'espace et de temps. Molinero est spécialisé dans la simulation de glace à plus grande échelle et a appliqué cette expertise à un système avec Tm AFP dans l'eau s'approchant d'une surface de glace. Avec cette configuration, elle et son doctorante Arpa Hudait ont observé que la protéine dégringolait lentement au-dessus de la surface de la glace. Ils ont découvert que pour s'accrocher à la glace, tous Tm L'AFP exige qu'elle soit parallèle à la surface.

Surtout, cependant, cet ancrage ne nécessitait aucune commande préalable de l'eau dans une structure semblable à de la glace. "Le mouvement lent de la protéine pour être parallèle à la surface de la glace est immédiatement suivi d'une réorientation rapide de l'eau à proximité pour lier la protéine à la glace, " dit Hudait. Chez les insectes comme le ténébrion, cette liaison de nombreux AFP aux cristaux de glace en développement empêche une cristallisation supplémentaire de la glace dans leur corps.

Comment le regarder se produire

Mais les méthodes de Molinero n'avaient pas la précision nécessaire pour créer des prédictions spectroscopiques de ce à quoi ressemblerait l'événement de liaison pour les instruments spectroscopiques. Avec son modèle d'eau très précis, Francesco Paesani de l'UCSD, et son chercheur postdoctoral, Daniel Moberg, a collaboré avec Molinero et son équipe pour calculer les spectres infrarouge et Raman avec une précision sans précédent. « Les simulations ont l'avantage de pouvoir isoler n'importe quelle région souhaitée, bien que cela ne soit utile que si la théorie sous-jacente est suffisamment précise, " explique Paesani.

Il s'agissait de la première étude à avoir déterminé le signal des seules structures ancrant la protéine à la surface de la glace, appelés clathrates. "Nos résultats montrent qu'il est peu probable que la spectroscopie infrarouge fournisse beaucoup d'informations sur la structure du clathrate ancrée, " dit Moberg. " La spectroscopie Raman, cependant, devrait montrer des différences si les expérimentateurs peuvent isoler le signal du site de liaison ou du clathrate ancré."

Les résultats peuvent donner un aperçu des études sur les protéines de nucléation de la glace dans l'atmosphère, qui effectuent la tâche inverse et jouent un rôle dans la formation de cristaux de glace dans les nuages. « Nous prédisons que la pré-commande pourrait émerger sur les grandes surfaces de protéines agrégées de nucléation de la glace, où il peut jouer le rôle inverse d'aider à la nucléation de la glace dans les nuages, " dit Molinero.

Il y a un intérêt généralisé pour apprendre à imiter le mécanisme antigel des AFP, Elle ajoute, avec des applications allant de la préservation des organes au dégivrage des avions. « Il existe un grand marché potentiel pour l'antigel basé sur le même mécanisme, mais si vous ne comprenez pas le mécanisme, il est difficile de définir et d'optimiser les molécules. »