Wasser biologisch einfrieren
Die Eisbildung ist ein elementarer Prozess für das Leben. Bestimmte Organismen wie eisaktive Bakterien, können die Bildung von Eis durch spezifische eisbildende Proteine katalysieren. Es ist nicht bekannt, warum eisbildende Organismen diese Fähigkeit besitzen, aber ein Grundgedanke lautet, dass sie sie nutzen könnten, um Pflanzen durch Frost anzugreifen. Einige Organismen fördern sogar die lokale Eisbildung, um das Gefrieren an anderen Stellen zu vermeiden. Diese bemerkenswerte Fähigkeit ist wegen ihrer Bedeutung für die weltweiten Niederschlagsmengen bekannt und für die Klimaforschung von großem Interesse. Sie wurde außerdem für verschiedene Anwendungen wie Frostschutz in der Landwirtschaft oder zur Herstellung von Kunsteis eingesetzt. Trotz dieser Anwendungsfälle stellen die molekularen Mechanismen, die der Eisbildung durch Proteine zugrunde liegen, nach wie vor ein Rätsel dar, vor allem, weil es an geeigneten Instrumenten und Methoden fehlt. „Um den Prozess der Eisbildung zu verfolgen, müssen einige Schichten von Wassermolekülen betrachtet werden, die mit einer einzigen Schicht von Proteinen interagieren“, erklärt Tobias Weidner, außerordentlicher Professor am Fachbereich Chemie der Universität Aarhus in Dänemark und Projektkoordinator von ProIce. Es gibt zwar einige Verfahren, mit denen das möglich ist, aber die Geräte und die Theorie sind seiner Einschätzung nach erst seit kurzem verfügbar. Um diese grundlegende Wissenslücke zu schließen, wurden im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ProIce eisbildende Proteine auf molekularer Ebene untersucht und dabei die jüngsten Fortschritte in der ultraschnellen Vibrationsspektroskopie genutzt – einem Verfahren, bei dem Laserpulse eingesetzt werden, um Moleküle in Schwingung zu versetzen und daraus Informationen zu gewinnen. „Die wichtigsten Durchbrüche waren die Entdeckung der pH-Kontrolle der Eisaktivität und die Erarbeitung von Methoden zur Verfolgung von Protein-Wasser-Interaktionen“, sagt Weidner.
Eisbildung untersuchen
Der erste Schritt des Projekts bestand darin, eisbildende Proteine an der Grenzfläche zu reinem Wasser zu analysieren, um herauszufinden, wie sich diese Proteine im Kontakt mit Wasser falten. Proteine falten sich, um bestimmte biologische Funktionen zu erfüllen. „Es stellte sich heraus, dass sich die Proteine in Beta-Helices falten, eine Struktur, die zuvor in Simulationen vorhergesagt wurde“, fügt Weidner hinzu. In weiteren Experimenten entdeckte das ProIce-Forschungsteam, dass sich die eisbildenden Proteine bei niedrigeren Temperaturen neu ausrichten, um ihren Kontakt mit Wasser zu optimieren. Die Forschenden fanden außerdem heraus, dass Veränderungen des pH-Werts – das Maß für den Säuregehalt des Wassers – als Auslöser für die Aktivität der Eisbildung dienen können. Das mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführte Projekt endete mit einer Studie über die Wechselwirkung von Wasser mit Proteinen, bei der Schwingungsspektroskopie eingesetzt wurde, um die Wechselwirkung von Wassermolekülen mit Proteinhauptketten (dem Teil, der Proteine zusammenhält) und den Seitenketten (den Teilen, die sich miteinander verbinden) zu verfolgen.
Neue Forschungsbeziehungen knüpfen
Die erfolgreiche Forschung führte zu neuen Kooperationen mit Atmosphärenforschenden, die ebenfalls die Eisbildung in Wolken beleuchten. Das ProIce-Team hat vor kurzem Mittel für ein neues Zentrum erhalten, das sich mit diesem Thema befassen wird: das Center for Chemistry of Clouds (C3) an der Universität Aarhus. Im Rahmen des Projekts ProIce haben sich außerdem neue Fragen ergeben, denen Weidner und sein Team weiter nachgehen werden. „Ich bin fasziniert von der neuen Möglichkeit, Wasser-Protein-Wechselwirkungen zu verfolgen“, so Weidner weiter. „Wir haben beobachtet, dass die Energie zwischen den Wassermolekülen in der Nähe der Oberfläche von Eisbakterien schnell übertragen wird. Wohin bewegt sich diese Energie?“, fragt er. Weidner strebt an, diesen Energietransfer von Wasser zu Proteinen nun auf molekularen Zeitskalen verfolgen. Weitere potenzielle Forschungsmöglichkeiten sind die Untersuchung anderer eisbildender Organismen wie Pilze und anthropogener Materialien.
Schlüsselbegriffe
ProIce, Eis, Bildung, Eisbildung, Pilze, Energie, pH-Wert, Wasser, Organismen, Bakterien
