El secreto de los insectos para evitar la congelación

¿Cómo sobreviven los insectos durante los duros inviernos del norte? A diferencia de los mamíferos, no poseen capas gruesas de pelo para mantenerse calientes, pero tienen anticongelante.

Las proteínas anticongelantes (AFP) evitan que se forme y se disemine el hielo dentro de sus cuerpos. La existencia de estas AFP se conoce desde hace décadas, pero ha sido difícil determinar los mecanismos que rigen esta técnica de supervivencia única.

Un nuevo estudio publicado en 'Proceedings of National Academy of Sciencies' por investigadores de la Universidad de Utah y la Universidad de California en San Diego, en Estados Unidos, muestra cómo funcionan las AFP al tiempo que proporciona una dirección para futuras investigaciones.

Las AFP evitan que el agua se congele al rodearlos y se unen rápidamente a pequeños cristales de hielo, donde el agua ya se las arregla para encargarse de formar una red de hielo. Sin supervisión, estos cristales actuarían como semillas y continuarían distribuyendo sus pedidos a las moléculas de agua vecinas.

La hipótesis prevaleciente de cómo las AFP detienen este mecanismo ha sido la petición previa de una capa de agua similar al hielo cerca del sitio de la proteína que se une a la superficie del hielo. Sin embargo, principalmente debido a la dificultad de aislar esta pequeña región en experimentos del hielo y el agua circundantes, esto aún no se había probado, dice la profesora de Química Valeria Molinero.

UNIÓN DE PROTEÍNAS A CRISTALES DE HIELO PARA FRENAR LA CONGELACIÓN

Centrándose en la AFP del escarabajo gusano de la harina, 'Tenebrio molitor' (TmAFP), el estudio tuvo como objetivo probar esta hipótesis a través de métodos teóricos a diferentes resoluciones de espacio y tiempo. Molinero está especializado en la simulación de hielo a mayores escalas y aplicó esta experiencia a un sistema con TmAFP en el agua que se acerca a una superficie de hielo.

Con esta configuración, ella y su estudiante de doctorado Arpa Hudait observaron que la proteína caía lentamente sobre la superficie del hielo. Descubrieron que, para adherirse al hielo, todo lo que TmAFP requiere es estar paralelo a la superficie. Sin embargo, de manera importante, este anclaje no requirió ninguna reserva previa de agua en una estructura similar al hielo.

"El lento movimiento de la proteína para que sea paralelo a la superficie del hielo va seguido inmediatamente por una rápida reorientación del agua cercana para unirse a la proteína al hielo", dice Hudait. En insectos como el escarabajo del gusano de la harina, esta unión de muchas AFP al desarrollo de cristales de hielo impide una mayor cristalización del hielo en sus cuerpos.

Pero los métodos de Molinero carecían de la precisión necesaria para crear predicciones espectroscópicas de cómo se vería el evento vinculante con los instrumentos espectroscópicos. Con su modelo de agua altamente preciso, Francesco Paesani, de UCSD, y su investigador postdoctoral, Daniel Moberg, colaboraron con Molinero y su equipo para calcular los espectros infrarrojos y Raman con una precisión sin precedentes. "Las simulaciones tienen la ventaja de poder aislar cualquier región deseada, aunque esto solo es útil si la teoría subyacente es lo suficientemente precisa", explica Paesani.

Este fue el primer estudio que determinó la señal de solo las estructuras que anclan la proteína a la superficie del hielo, llamadas clatratos. "Nuestros resultados muestran que la espectroscopía infrarroja es poco probable que brinde mucha información sobre la estructura del clatrato anclada --dice Moberg--. La espectroscopía Raman, sin embargo, debería mostrar diferencias si los experimentadores pueden aislar la señal del sitio de unión o del clatrato anclado".

Los hallazgos pueden dar una idea de los estudios de proteínas de nucleación de hielo en la atmósfera, que realizan la tarea opuesta y desempeñan un papel en la formación de cristales de hielo en las nubes. "Predecimos que la preordenación podría surgir en las grandes superficies de proteínas de nucleación de hielo agregadas, donde podría desempeñar el papel opuesto de ayudar a la nucleación del hielo en las nubes", dice Molinero.

Existe un amplio interés en aprender a imitar el mecanismo anticongelante de las AFP, agrega, con aplicaciones que van desde la preservación de órganos hasta la descongelación de planos. "Existe un gran mercado potencial para anticongelantes basado en el mismo mecanismo, pero si no se comprende el mecanismo, es difícil definir y optimizar las moléculas", concluye.