كسر الجليد - واتركه سليما

أظهر علماء معهد وايزمان وشركاؤهم في الأبحاث أن البروتينات المضادة للتجميد يمكن أن تعزز أيضًا التجميد

يمكن للكائنات الحية أن تعيش فصول الشتاء القاسية بشكل خاص بمساعدة المواد المضادة للتجمد. وتساعد هذه البروتينات، من بين أمور أخرى، الأسماك والحشرات والنباتات وحتى البكتيريا على تحمل درجات الحرارة المنخفضة للغاية؛ ولولا تلك البروتينات لتجمدت محتوياتها السائلة ولماتت. ومن المثير للدهشة أنه في ظل ظروف باردة معينة، يمكن للبروتينات المضادة للتجمد أن تعزز عملية التجميد. تم اكتشاف هذه النتائج مؤخرًا في تجارب أجريت في إسرائيل وألمانيا باستخدام بروتينات مشتقة من الأسماك والخنافس. وقد يكون لنتائج البحث، التي نشرت في المجلة العلمية Journal of Physical Chemistry Letters، آثار على فهم العمليات الأساسية لتكوين الجليد.

لا تمنع البروتينات المضادة للتجمد تشكل الجليد في المقام الأول. في الواقع، فهي ترتبط بنواة الجليد الصغيرة التي تتشكل في الخلية الحية، مما يمنعها من التحول إلى بلورات أكبر. توجد هذه البروتينات، على سبيل المثال، في الهيكل الخارجي ليرقات خنفساء الدقيق وتحمي جلد اليرقات الضعيف. في الطبيعة، هناك أيضًا بروتينات تفعل العكس تمامًا: تعزيز تكوين الجليد. على سبيل المثال، يمكن لبعض البكتيريا استخدام هذه البروتينات لتكوين بلورات ثلجية حادة تؤدي إلى إصابة قشور الفواكه أو الأوراق. وعلى الرغم من التفسير المعقول بأن هذه أنواع مختلفة تمامًا من البروتينات، فقد أشارت الدراسات السابقة إلى وجود تشابه معين بينهما. استندت الفرضية الأساسية للدراسات إلى حقيقة أن البروتينات المضادة للتجمد لها موقع نشط يمكنه الارتباط بالجليد، وبالتالي قدرتها على المساعدة في تكوين نواة جليد أولية قد تنمو لاحقًا لتصبح بلورة ثلجية. ومع ذلك، حتى الآن لم يتم العثور على طريقة لتوصيف نشاط هذه الجزيئات البيولوجية بشكل كامل.

تُستخدم البروتينات المضادة للتجمد حاليًا في صناعة المواد الغذائية - على سبيل المثال، للحفاظ على الملمس الناعم للآيس كريم وإبعاد الثلج عن سطحه الخارجي

أدار البحث الحالي البروفيسور توماس كوب من جامعة بيليفيلد في ألمانيا بالتعاون مع البروفيسور إيدو بريسلافسكي من الجامعة العبرية في القدس والبروفيسور يانون روديتش من معهد وايزمان للعلوم. أصبح هذا البحث ممكنًا بفضل جهاز ميكروفلويديك الذي طورته الدكتورة نعمة رايشر من مجموعة أبحاث البروفيسور روديتش والذي يسمح بالتقاط قطرات صغيرة للغاية من الماء النظيف للغاية باستخدام مجموعة صغيرة من الرقائق. أضاف الباحثون إلى هذه القطرات الدقيقة كميات محسوبة جيدًا من البروتينات المضادة للتجمد المعزولة من يرقات خنفساء الدقيق أو الأسماك التي تعيش في منطقة القطب الشمالي. سمح هذا الإعداد التجريبي لمجموعة البحث بالتحقق من أن تكوين الجليد ناتج عن البروتينات.

خلال التجربة، ظلت القطرات الدقيقة الملتقطة سائلة حتى عندما انخفضت درجة الحرارة إلى ما دون الصفر، لأنها لم تحتوي على نفس الجزيئات والملوثات التي تسبب تجمد الماء عند درجة 0 مئوية. عند درجة حرارة 38.5 درجة تحت الصفر فقط، بدأت قطرات الماء التي لم تضاف إليها بالتجميد، بينما في حوالي نصف العينات التي أضيفت إليها البروتينات المضادة للتجمد، بدأت بلورات الثلج بالتشكل عند درجة حرارة أعلى - تقترب من سالب 34. درجات. بمعنى آخر، أظهرت التجربة أنه عند درجات حرارة معينة، وهي بالفعل متطرفة ولكنها غير معروفة على الأرض، تصبح مضادات التجمد في الواقع معززات لمضادات التجمد. وبطبيعة الحال، فإن البروتينات التي تعزز تكوين الجليد قادرة على تكوين الجليد بكفاءة عند درجات حرارة أعلى. يفترض العلماء أن الفرق الرئيسي بين أنواع البروتينات يكمن في حجمها: البروتينات المؤيدة للتجميد أكبر بكثير.

تُستخدم حاليًا البروتينات المضادة للتجمد المشتقة من الأسماك في صناعة المواد الغذائية - على سبيل المثال، للحفاظ على الملمس الناعم للآيس كريم وإبعاد الثلج عن سطحه الخارجي. ويشير البحث الحالي إلى احتمال أن تكون لهذه البروتينات حدود، وفي الواقع قد تعزز تراكم الجليد عند تعرضها لدرجات حرارة منخفضة للغاية، مثل تلك التي شهدتها قارة أمريكا الشمالية هذا العام. إن البروتينات التي تعزز نمو بلورات الجليد لها استخداماتها الخاصة، على سبيل المثال، في منتجعات التزلج التي ترغب في تمديد موسم التزلج، لذلك قد يشير هذا البحث حول البروتينات المضادة للتجمد أيضًا إلى طرق لإنشاء بروتينات محسنة تعزز التجميد. بالنسبة للبروفيسور روديتش، الذي تركز أبحاثه على الغلاف الجوي والمناخ، فإن النتائج قد تلقي الضوء على العمليات الفيزيائية التي تؤثر على تكوين السحب.