Cómo congelar el agua biológicamente
La formación de hielo es un proceso esencial para la vida. Algunos organismos, como las bacterias activas en el hielo, pueden catalizar la formación de hielo gracias a las proteínas nucleadoras del hielo (INP, por sus siglas en inglés). Se desconoce por qué los organismos nucleadores del hielo poseen esta capacidad, aunque una hipótesis es que podrían utilizarla para atacar a las plantas a través de heladas. Algunos organismos también favorecen la nucleación local del hielo para evitar la congelación en otros sitios. Esta sorprendente capacidad es bien conocida por su importancia en los niveles mundiales de precipitación, por lo que los climatólogos está muy interesados en ella. También se ha utilizado en diversas aplicaciones como, por ejemplo, en la prevención de heladas en la agricultura o la creación de hielo artificial. A pesar ello, aún se desconocen los mecanismos moleculares subyacentes a la formación de hielo por proteínas, debido sobre todo a la falta de instrumentos y métodos adecuados. «Para estudiar el proceso de nucleación del hielo, hay que observar unas pocas capas de moléculas de agua que interactúan con una sola capa de proteínas», explica Tobias Weidner, profesor asociado del Departamento de Química de la Universidad de Aarhus, en Dinamarca, y coordinador del proyecto ProIce. Aunque algunas técnicas permiten hacerlo, la teoría y las herramientas necesarias solo están disponibles desde hace poco, afirma el coordinador. Para cerrar esta brecha del conocimiento, el equipo del proyecto ProIce, financiado con fondos europeos, estudió las INP a nivel molecular, aprovechando los recientes avances en espectroscopia vibracional ultrarrápida: una técnica que utiliza pulsos láser para hacer vibrar moléculas y obtener información de ellas. «Los resultados más importantes fueron el descubrimiento del control del pH sobre la actividad del hielo y el desarrollo de métodos para examinar las interacciones entre el agua y las proteínas», comenta Weidner.
Estudio de la nucleación del hielo
En primer lugar, el equipo del proyecto investigó las INP en la interfase con agua pura, para así examinar cómo se pliegan estas proteínas en contacto con el agua. El plegamiento de las proteínas es fundamental para que puedan llevar a cabo su función biológica. «Resulta que las proteínas se pliegan en hélices β, una estructura predicha a través de simulaciones», añade Weidner. Mediante otros experimentos, los investigadores de ProIce descubrieron que las INP se reorientan a temperaturas más bajas a fin de optimizar su contacto con el agua. También averiguaron que los cambios en el pH, es decir, la medida del grado de acidez del agua, pueden desencadenar la actividad de nucleación del hielo. Las actividades del proyecto, que contó con el apoyo de las acciones Marie Skłodowska-Curie, concluyeron con un estudio de la interacción del agua con las proteínas. En él, se empleó la espectroscopia vibracional para examinar la interacción de las moléculas de agua con la cadena principal de las proteínas (la parte que las mantiene unidas) y las cadenas laterales (las partes que se unen entre sí).
Establecer nuevas colaboración científicas
Los resultados de la investigación efectuada en el proyecto fomentaron nuevas colaboraciones con científicos atmosféricos, que estudian la nucleación del hielo en las nubes. El equipo de ProIce ha obtenido financiación adicional para un nuevo centro que investigará este tema: el Centro de Química de las Nubes (Center for Chemistry of Clouds o C3), ubicado en la Universidad de Aarhus. La labor desarrollado en el marco de ProIce también planteó nuevas preguntas, que Weidner y su equipo seguirán estudiando. «Me fascina la nueva posibilidad de examinar las interacciones entre el agua y las proteínas», añade Weidner. «Hemos observado que la energía se transfiere con rapidez entre las moléculas de agua cerca de la superficie de las bacterias del hielo. ¿Adónde va a parar esta energía?», se pregunta Weidner. Weidner se propone ahora rastrear la transferencia de energía del agua a las proteínas a escalas de tiempo moleculares. Otras posibles líneas de investigación incluyen el estudio de otros organismos nucleadores del hielo, como los hongos, y de materiales artificiales.
Palabras clave
Prolce, hielo, formación, nucleación, hongos, energía, pH, agua, organismos, bacterias
