Comment congeler l’eau biologiquement
La formation de glace est un processus fondamental pour la vie. Certains organismes tels que les bactéries actives dans la glace peuvent catalyser la formation de glace grâce à des protéines spécifiques de nucléation de la glace (PNG). On ne sait pas pourquoi les organismes qui nucléent la glace ont cette capacité, mais ils pourraient l’utiliser pour attaquer les plantes par le gel. Certains organismes favorisent également la nucléation locale de la glace afin d’éviter la congélation à d’autres endroits. Cette capacité remarquable est bien connue pour son importance dans les niveaux de précipitations à l’échelle mondiale et présente un grand intérêt pour les chercheurs en climatologie. Elle a également été cooptée pour de nombreuses applications, notamment pour prévenir le gel dans l’agriculture ou pour créer de la glace artificielle. Malgré ces cas d’utilisation, les mécanismes moléculaires qui sous-tendent la formation de glace à partir de protéines restent un mystère, principalement en raison d’un manque d’instruments et de méthodes appropriés. «Pour suivre le processus de nucléation de la glace, il faut examiner quelques couches de molécules d’eau interagissant avec une seule couche de protéines», explique Tobias Weidner, professeur associé au département de chimie de l’université d’Aarhus, au Danemark, et coordinateur du projet ProIce. Si certaines techniques permettent d’atteindre cet objectif, l’équipement et la théorie ne sont disponibles que depuis peu de temps, explique-t-il. Pour combler cette lacune dans les connaissances fondamentales, le projet ProIce, financé par l’UE, a étudié les PNG au niveau moléculaire, en tirant parti des progrès récents de la spectroscopie vibrationnelle ultrarapide, une technique qui utilise des impulsions laser pour faire vibrer les molécules et en tirer des informations. «Les percées les plus importantes ont été la découverte du contrôle de l’activité de la glace par le pH et la mise au point de méthodes permettant de suivre les interactions entre les protéines et l’eau», explique Tobias Weidner.
Sonder la nucléation de la glace
La première étape du projet a consisté à étudier les PNG à l’interface avec l’eau pure, afin de voir comment ces protéines se replient au contact de l’eau. Les protéines se replient afin de remplir des fonctions biologiques spécifiques. «Il s’avère que les protéines se replient en hélices bêta, une structure prédite précédemment par des simulations», ajoute Tobias Weidner. Grâce à d’autres expériences, les chercheurs de ProIce ont découvert que les PNG se réorientent à des températures plus basses, afin d’optimiser leur contact avec l’eau. Les chercheurs ont également constaté que les changements de pH (la mesure du degré d’acidité de l’eau) peuvent servir de déclencheur à l’activité de nucléation de la glace. Le projet, qui a été entrepris avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie, s’est achevé par une étude de l’interaction de l’eau avec les protéines, en utilisant des spectroscopies vibrationnelles pour suivre l’interaction des molécules d’eau avec les squelettes des protéines (la partie qui maintient les protéines ensemble) et les chaînes latérales (les parties qui se lient les unes aux autres).
Établir de nouvelles connexions de recherche
Ces recherches fructueuses ont débouché sur de nouvelles collaborations avec des spécialistes de l’atmosphère qui étudient également la nucléation de la glace dans les nuages. L’équipe de ProIce a récemment reçu un financement pour un nouveau centre qui étudiera ce sujet: le Center for Chemistry of Clouds (C3), situé à l’université d’Aarhus. Le projet ProIce a également soulevé de nouvelles questions que Tobias Weidner et son équipe vont approfondir. «Je suis fasciné par cette nouvelle possibilité de suivre les interactions entre l’eau et les protéines», ajoute Tobias Weidner. «Nous avons observé que l’énergie est transférée rapidement entre les molécules d’eau près de la surface des bactéries de glace. Où va cette énergie?», demande-t-il. Tobias Weidner souhaite à présent suivre ce transfert d’énergie de l’eau vers les protéines à l’échelle moléculaire. D’autres pistes de recherche potentielles incluent l’étude d’autres organismes nucléant la glace, tels que les champignons et les matériaux anthropogéniques.
Mots‑clés
Prolce, glace, formation, nucléation, champignons, énergie, pH, eau, organismes, bactéries
