Микробиологи из Института Макса Планка изучили молекулярные механизмы, с помощью которых бактерия, известная под названием Pseudomonas syringae, замораживает окружающую ее воду. Ученые выяснили, что структура специфичного белка на мембране бактерии способна усиливать образование льда. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Обычно чистая вода может замерзать при гораздо более низкой температуре (до -36 градусов Цельсия), что называется сверхохлаждением воды. Некоторые микроорганизмы имеют на поверхности своей мембраны белки, которые провоцируют образование кристаллов льда при температуре немного ниже точки плавления. Это необходимо для того, чтобы лед, способный повредить клетки, образовывался на относительно безопасном расстоянии.
Одним из таких микроорганизмов является бактерия Pseudomonas syringae, которая часто используется для создания искусственного снега для зимних спортивных площадок. Она также играет большую роль в повреждении сельскохозяйственных культур в холодное время года, участвует в формировании облаков и осадков и привлекает все большее внимание исследователей как один из факторов, регулирующий круговорот воды в природе и даже климат в целом.
Цель исследований заключалась в выяснении того, что на самом деле происходит на границе раздела двух фаз: воды и мембранной поверхности P.syringae. Ученые применили спектроскопию, основанную на сложении частот света, чтобы понять, как формирование водородных связей между молекулами воды и белками бактерий приводит к упорядочиванию структуры воды.
Белок, который бактерии используют для замораживания окружающей их воды, называется inaZ. Он закреплен на внешней стороне клеточной мембраны и имеет активные участки, провоцирующие образование кристаллов льда. Результаты показали, что структура этих участков, которая могла бы служить своего рода шаблоном для ориентации молекул воды, не достаточна для образования льда, как предполагали ранние гипотезы, однако может играть важную роль в этом процессе. Так, гидрофильные и гидрофобные компоненты белков усиливают замерзание воды при понижении температуры. Также белковые компоненты оказались способны удалять тепло из окружающей среды.
Ученые подчеркивают, что необходимы дополнительные исследования для выяснения точных молекулярных механизмов, задействованных в формировании кристаллов льда в жидкой воде. Кроме того, полученные данные остаются справедливыми только для бактерий, похожих на P.syringae, поскольку другие микроорганизмы могут использовать совершенно другие методы замораживания воды.