Биологи засняли заморозку воды под действием «бактерий-Саб-Зиро»

Даже при температуре намного ниже 0 °С сверхчистая дистиллированная вода замерзает очень долго. Для быстрого превращения в лед ей требуется пылинка, частица, на которой может стартовать нуклеация кристалла. Запускать нуклеацию способны и бактерии Pseudomonas syringae, стимулирующие замерзание воды уже при температурах около -5 °С. Эта способность помогает микробам разрушать клетки растений, питаясь их содержимым, а также используется при получении искусственного снега. Для этого в воду добавляются лиофилизированные, убитые, но сохранившие возможность «замораживать» воду P.syringae. Эти грамотрицательные бактерии весьма широко распространены по всему земному шару и обнаруживаются даже высоко в атмосфере, где, возможно, участвуют в появлении облаков.

Необычные способности P.syringae связывают с присутствующим на поверхности их внешней мембраны белком inaZ, относящимся к семейству INP (Ice-Nucleation Proteins). При этом детальный механизм работы INP остается неизвестным, и даже пространственная структура этих крупных (порядка 1200 аминокислотных остатков) белков не установлена. Ряд работ по компьютерному моделированию интерфейса активного сайта inaZ привел к появлению гипотезы о том, что этот участок, богатый серином и треонином, «выставляя» в воду полярные гидроксильные группы, имитирует плоскость ледяного кристалла, создавая центр нуклеации. Биофизики из Института полимерных иследований общества Макса Планка, работающие под руководством Тобиаса Виднера (Tobias Weidner), впервые наблюдали этот процесс в эксперименте.

Авторы использовали лазерную SFG-спектроскопию, метод, позволяющий изучать поверхности и границы раздела сред. Для этого объект облучается опорным лучом оптического диапазона, который, отражаясь, комбинируется с ИК-лучом меняющейся частоты. Частота итогового луча, полученного детектором, позволяет обнаружить упорядоченные детали, от которых они отразились. Наряду с моделированием на основе классической молекулярной динамики это позволило получить детальную картину нуклеации, которая развивалась на поверхности мертвых клеток P.Syringae из лиофилизированного концентрата Snowmax, продающегося для использования в машинах для создания искусственного снега.

Ученые показали, что сочетание гидрофильных и гидрофобных участков в активном сайте inaZ стимулирует упорядоченное расположение молекул гидратационной (водной) оболочки белка, «направляя» их к формированию кристалла. Кроме того, inaZ эффективно рассеивает тепловую вибрацию попавшихся в ловушки молекул воды, создавая локальные понижения температуры, которые дополнительно облегчают нуклеацию. Впрочем, механизм этого рассеивания энергии остается неясен – как неясен и окончательный ответ на вопрос об участии псевдомонад в формировании облаков и осадков.

Результаты работы опубликованы в Science Advances.