Det är allmänt känt att vatten fryser vid 0 ° C. Det finns naturligtvis några undantag från denna regel och genom att manipulera olika fysiska, kemiska och till och med biologiska faktorer kan vattenets fryspunkt förändras. Detta fenomen sker till exempel i de södra oceanerna. Närvaron av salt i vattnet gör att det förblir flytande, även vid 1,9 ° C under noll [1]. Endast ett fåtal organismer kan överleva under dessa extrema förhållanden.
Endotermiska djur kan generera sin egen kroppsvärme och har utvecklat olika sätt att minimera värmeförlust. Isbjörnar har till exempel svart hud för att absorbera solens värme och ett tjockt lager av spädbarn som håller dem varma i det kalla vattnet när de simmar. Fiskar är ekotermiska eller kallblodiga djur, vilket innebär att de reglerar sina kroppstemperaturer med hjälp av den yttre miljön. Det är därför du kan se ödlor, som också är ektotermiska djur, som solar sig på klippor när det är varmare väder. Deras kroppstemperatur ändras med omgivningens temperatur. Detta kan bli en ganska utmaning för fiskar som lever i dessa isiga havsvatten. Det finns inte många typer av antarktiska fiskar, men de som finns är väl anpassade till de kalla temperaturerna. Vissa undviker att frysa genom att bo på djupare vatten i ett underkylt tillstånd för att undvika kontakt med iskristaller. Om inga iskristaller intas kan ingen växa i kroppen och fiskarna kan undvika att frysa på det sättet. Andra lever i grundare vatten och har därför olika anpassningar för att förhindra att deras kroppar fryser [2]. En av de mekanismer de har utvecklat är produktionen av biologiska frostskydds -proteiner. Dessa proteiner kan binda till och hämma tillväxten av iskristaller i blodet för att förhindra att fisken fryser [3].
Credit: Paul A. Cziko, University of Oregon (HTTPS://WWW.NSF.GOV/NEWS/NEWS_SUMM.JSP?ORG=NSF&CNTN_ID=132798&PREVIEW=FALSE)
De första frostskydds -proteinerna (AFP) i polära fiskar upptäcktes av professor Arthur DeVries vid University of Illinois i slutet av 1960 -talet. När han arbetade på McMurdo Station, åtnjöt han ”kombinationen av rigoröst fältarbete (fånga fisken) och laboratoriearbete på denna avlägsna plats” i Antarktis [2].
Ända sedan dess har många fler AFP: er upptäckts i kalla överlevande organismer över flera biologiska riken. De finns hos fiskar, insekter, växter och till och med bakterier där de hämmar iskristallstillväxt och omkristallisation genom adsorbering eller bindning till isytan. Detta förhindrar cellskada och död orsakad av iskristaller inuti kroppen.
Växtvävnader kan också skadas av bildandet av iskristaller vid minusgrader. Isbindande proteiner (IBP) i växter gör att de kan bli frystoleranta, men de fungerar något annorlunda än AFP som finns i antarktiska fiskar till exempel. Istället för att sänka frysningstemperaturen fokuserar IBP i växter sin aktivitet mer på att hämma omkristallisationen av redan bildad is. De förhindrar “tillväxt av stora iskristaller på bekostnad av små” [4] vid temperaturer som är nära smälttemperaturen.
Det finns många andra frostskyddsmedel som existerar, såsom etylenglykol, som används som ett kryoskyddande medel för att bevara biologiska vävnader och organ, men också som frostskyddsmedel i bilmotorer [5]. Men den senare blir giftig när den bryts ner i kroppen. Eftersom frostskydds -proteiner erhålls från naturliga organismer har de ingen eller mycket låg toxicitet och kan appliceras i stor utsträckning.
Som tidigare nämnts används kryoskyddande medel vanligtvis i cell-, vävnads- och organkryopreservationsmetoder. Höga koncentrationer av dessa föreningar är nödvändiga för att minimera bildandet av iskristaller, men detta kan leda till cytotoxicitet. AFP är därför ett bra alternativ eftersom de hämmar istillväxt vid relativt låga koncentrationer och anses vara mindre toxiska [6].
Frostskyddsproteiner används också i livsmedelsindustrin. De kan till exempel tillämpas för att kontrollera iskristallstillväxt i glass vilket leder till en mycket mjukare konsistens [7]. Slutligen är det också möjligt att skapa transgena växter genom att introducera gener som kodar för AFP i deras genom. Detta förbättrar frystoleransen i annars kallkänsliga organismer [6].
Denna sista egendom verkade särskilt intressant för iGEM -teamet UNILausanne 2021. Tidigare i år märkte vi att många artiklar talade om hur den sena vårfrysningen i Schweiz har påverkat grödorna. Det har till exempel lett till att mer än två tredjedelar av årets aprikosproduktion förlorats [8]. Sedan dess har vårt team spenderat många timmar på att brainstorma och prata med experter på området för att hitta ett sätt att lösa detta problem. När vi hörde talas om frostskydds proteiner tänkte vi omedelbart på olika sätt att tillämpa dem på detta projekt.
I Schweiz gör ett moratorium för användning av genetiskt modifierade organismer inom jordbruket olaglig odling av genetiskt modifierade växter. Så istället för att skapa transgena växter som själva överuttrycker AFP, tänkte vi producera dessa proteiner med hjälp av bakterier och spruta den renade produkten på grödorna för att skydda dem från iskristallerna som bildas under den sena vårens frysning.
Vårt team har också tänkt på andra sätt att skydda växter över hela världen från vårens frysning. Om detta låter intressant kan du kolla in det tidigare publicerade inlägget om tailocins till exempel!
Referenser
- https://www.polartrec.com/resources/lesson/frozen-fish-unique-adaptations-of-antarctic-fish
- https://www.scientia.global/professor-arthur-devries-cold-ice-antifreeze-proteins-polar-fishes/
- https://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=132798
- https://www.intechopen.com/chapters/42487
- https://en.wikipedia.org/wiki/Ethylene_glycol
- https://link.springer.com/article/10.1007/s13205-019-1861-y
- https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16357267/
- https://www.rts.ch/info/regions/valais/12138006-plus-des-deux-tiers-des-abricots-valaisans-sont-perdus-en-raison-du-gel.html
