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Ahora sabemos cómo los insectos y las bacterias controlan el hielo


Al contrario de lo que le hayan enseñado, el agua no siempre se congela a hielo a 32 grados F (cero grados C). Saber o controlar a qué temperatura se congelará el agua (comenzando con un proceso llamado nucleación) es de vital importancia para responder preguntas como si habrá o no suficiente nieve en las pistas de esquí o si lloverá o no mañana.


por Paul Gabrielsen, Universidad de Utah


Sin embargo, la naturaleza ha encontrado formas de controlar la formación de hielo, y en un artículo publicado hoy en el Journal of the American Chemical Society , la profesora de la Universidad de Utah, Valeria Molinero, y sus colegas muestran cómo las proteínas clave producidas en bacterias e insectos pueden promover o inhibir la formación de hielo, en función de su longitud y su capacidad de formar un equipo para formar grandes superficies de unión al hielo. Los resultados tienen una amplia aplicación, particularmente en la comprensión de la precipitación en las nubes.

«Ahora podemos predecir la temperatura a la que la bacteria va a nuclear el hielo dependiendo de cuántas proteínas nucleantes de hielo tenga», dice Molinero, «y podemos predecir la temperatura a la que las proteínas anticongelantes , que son muy pequeños y generalmente no funcionan a temperaturas muy bajas, pueden nuclear el hielo «.

¿Qué es la nucleación de hielo?

Hace tiempo que se sabe que a la vida le gusta meterse con hielo. Los insectos, los peces y las plantas producen diversas formas de proteínas anticongelantes para ayudarles a sobrevivir en condiciones bajo cero. Y los patógenos de las plantas , particularmente la bacteria Pseudomonas syringae , emplean proteínas que promueven la formación de hielo para inducir daños en sus huéspedes. Sin embargo, antes de que podamos hablar sobre cómo funcionan estas proteínas, necesitamos un repaso rápido sobre cómo se congela el hielo.

El agua pura, sin impurezas, no se congelará hasta que alcance -35 grados C (-31 grados F). Esa es la temperatura a la cual las moléculas de agua se acomodarán espontáneamente en una red cristalina y comenzarán a reclutar otras moléculas para unirse. Sin embargo, para iniciar el proceso de congelación a temperaturas más cálidas , las moléculas de agua necesitan algo a lo que aferrarse, como una mota de polvo. , hollín u otra impureza, sobre la cual puede comenzar a construir su red cristalina. Este es el proceso llamado nucleación.

Proteínas nucleantes de hielo, como las de Ps. syringae , se unen a los cristalitos de hielo nacientes de tal manera que se reduce el costo energético de la congelación adicional. También pueden agregarse juntos para mejorar aún más su poder de nucleación. «¡Es mucho trabajo grupal!» Dice Molinero.

Un cañón de nieve

Estas proteínas pueden ser tan eficientes que pueden nuclear hielo a temperaturas tan cálidas como -2 grados C (29 grados F). Las proteínas nucleantes de hielo ya se están utilizando en las estaciones de esquí, y Snomax International, con sede en Colorado, comercializa un aditivo que contiene Ps. syringae que da un impulso a las máquinas de nieve artificial.

Sin embargo, las proteínas anticongelantes también se unen al hielo, pero lo obligan a desarrollar una superficie curva que desalienta la congelación adicional y requiere temperaturas mucho más frías para que el hielo crezca. Además, las proteínas anticongelantes no se agregan juntas. «Han evolucionado para ser solitarios, ya que su trabajo es encontrar hielo y adherirse a él», dice Molinero.

Todo esto se conocía anteriormente, incluido el hecho de que las proteínas anticongelantes eran relativamente pequeñas y las proteínas nucleantes de hielo eran relativamente grandes. Sin embargo, lo que no se sabía era cómo los tamaños y los comportamientos de agregación de las proteínas afectaban la temperatura de la nucleación del hielo. Esa es la pregunta que Molinero y su equipo se propusieron responder.

Una «bala única»

Molinero y los estudiantes de posgrado Yuqing Qiu y en Arpa Hudait realizaron simulaciones moleculares de interacciones de proteínas con moléculas de agua para ver cómo afectaban la temperatura de la nucleación de hielo. Las proteínas anticongelantes y nucleadoras de hielo, dice Molinero, se unen al hielo con una fuerza casi igual.

«La naturaleza está usando una sola bala en términos de interacciones para abordar dos problemas completamente diferentes», dice ella. «Y la forma en que se resolvió entre el anticongelante o la nucleación de hielo es cambiando el tamaño de las proteínas y su capacidad de formar un equipo para formar superficies de unión al hielo más grandes».

Descubrieron que las proteínas anticongelantes se nucleaban a algo más de -35 grados C, lo que coincidía con los datos experimentales. El alargamiento de las proteínas simuladas aumentó la temperatura de nucleación, que se estabilizó después de una cierta longitud. Las simulaciones predijeron que reunir más alrededor de 35 proteínas bacterianas en dominios más grandes era clave para alcanzar el rendimiento de nucleación de hielo de Ps. syringae , con una temperatura de nucleación de -2 grados C (29 grados F).

«Ahora podemos diseñar nuevas proteínas o materiales sintéticos que nucleen el hielo a una temperatura específica», dice Molinero.

Por que es importante

Las implicaciones de tal hallazgo se extienden hasta el futuro del agua en la Tierra.

La precipitación comienza como hielo, que se nuclea y crece hasta que es lo suficientemente pesado como para precipitar. A grandes altitudes donde hace más frío, el hollín y el polvo pueden desencadenar la nucleación. Pero a altitudes más bajas, no es el polvo lo que desencadena la nucleación, son las bacterias.

Sí, las mismas proteínas en Ps. syringae que ayuda a la formación de nieve en las estaciones de esquí también ayuda a la formación de hielo a temperaturas más cálidas, permitiendo que precipiten nubes de baja altitud. En un clima más cálido, los hallazgos de Molinero pueden ayudar a los modeladores climáticos a comprender mejor las condiciones de formación de nubes y precipitación y pronosticar cómo el calentamiento afectará la cantidad de nucleación y precipitación de hielo en el futuro.

«La capacidad de predecir si las nubes se congelarán o no es muy importante en los modelos climáticos, porque la formación de hielo determina la precipitación y también la proporción de energía solar absorbida y reflejada por nuestra atmósfera», dice Molinero. «El desafío de predecir si el hielo se va a nuclear o no en las nubes es una limitación importante de la capacidad predictiva de los modelos meteorológicos y climáticos».

Sin embargo, a una escala mucho más pequeña, las proteínas anticongelantes y nucleadoras de hielo se pueden emplear juntas en una danza de hielo finamente ajustada: algunos insectos usan proteínas anticongelantes para protegerse a unos -8 grados C (18 grados F), pero luego emplee proteínas nucleantes de hielo a temperaturas más bajas para contener el crecimiento de hielo antes de que se salga de control.

«El panorama general es que ahora entendemos cómo las proteínas usan su tamaño y agregación para modular cuánto pueden nuclear el hielo», dice Molinero. «Creo que esto es bastante poderoso».


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