ENGINEERIINGNET.BE - De meeste materialen hechten zich niet aan ijs, maar antivries-proteïnen doen dat juist wel.
Ze zetten zich vast op het oppervlak van een ijskristal en blijven daar zitten. Op die bezette plekken kunnen watermoleculen zich niet meer hechten. Het ijs groeit daardoor alleen nog in de ruimtes tussen de gebonden proteïnen.
Zo ontstaat een ijs-watergrensvlak dat op nanoschaal niet langer vlak is, maar gekromd, als een landschap met kleine heuvels en valleien.
Omdat zo’n gekromd oppervlak energetisch ongunstig is, wordt de verdere groei van ijs sterk afgeremd.
Deze eiwitten zijn enorm effectief; zelfs de kleinste hoeveelheden kunnen ijskristallen klein houden. IJsbindende eiwitten zijn al ontdekt in tal van planten- en diersoorten.
Hoogleraar Ilja Voets van TU Eindhoven: “In ons chemisch-biologisch laboratorium zetten we bacteriën aan het werk om ijsbindende eiwitten voor ons te produceren. Zo kunnen we heel nauwkeurig met de eiwitstructuur spelen om te onderzoeken welke delen essentieel zijn voor de werking van de eiwitten.”
Samen met collega's van Wageningen University & Research en Washington University hebben ze via AI eiwitten ontworpen die nog niet bestonden, maar wel de gewenste eigenschappen hebben.
Met behulp van E. colibacteriën produceren ze deze kunstmatige eiwitten in het laboratorium. Voets en haar TU/e-collega's onderzoeken vervolgens hoe de eiwitten onder verschillende omstandigheden reageren op ijskristallen.
In een recente studie presenteert het team een heel nieuwe familie van kunstmatig ontworpen eiwitten die stabieler, actiever en veelzijdiger zijn dan de ijsbindende eiwitten die in de natuur voorkomen. Deze nieuwe eiwitten blijven stabiel in een veel breder temperatuurbereik.
Dat is erg nuttig voor praktische toepassingen, aldus Voets. “Stel dat je dergelijke eiwitten aan menselijke donororganen zou willen toevoegen om ze in te vriezen voor opslag. Het feit dat ze niet op lage temperaturen hoeven te worden bewaard om functioneel te blijven, maakt de hantering een stuk eenvoudiger, omdat je geen speciale koelapparatuur of expertise nodig hebt.”
Volgens Voets was deze belangrijke doorbraak niet alleen te danken aan hard werken en vastberadenheid, maar ook aan het juiste momentum. “Er is een enorme doorbraak in computationele methoden voor het ontwerpen van eiwitten.
Tegelijk zijn ‘s werelds krachtigste supergeresolveerde fluorescentiemicroscopen beschikbaar voor ons, waarmee we voor het eerst individuele eiwitten op ijs kunnen volgen.
De eigenschappen van deze eiwitten kunnen ook worden overgedragen naar op polymeren gebaseerde materialen, waardoor een schaalbare, kostenefficiënte productie mogelijk wordt.
In samenwerking met The Gate gaan de wetenschappers onderzoeken hoe deze ontdekking kan worden omgezet in een praktisch, realistisch product.
Voets ontving voor haar onderzoek een Proof of Concept-subsidie van 150.000 euro van de European Research Council.
