Ao contrário do que você pode ter aprendido, a água nem sempre congela a 32 graus F (zero graus C). Sabendo, ou controlando, em que temperatura a água irá congelar (começando com um processo chamado nucleação) é extremamente importante para responder a perguntas como se haverá ou não neve suficiente nas pistas de esqui ou se choverá ou não amanhã.

A natureza descobriu maneiras de controlar a formação de gelo, no entanto, e em um artigo publicado hoje no Jornal da American Chemical Society A professora Valeria Molinero da Universidade de Utah e seus colegas mostram como proteínas-chave produzidas em bactérias e insetos podem promover ou inibir a formação de gelo, com base em seu comprimento e sua capacidade de se unir para formar grandes superfícies de ligação ao gelo. Os resultados têm ampla aplicação, particularmente na compreensão da precipitação nas nuvens.

"Agora somos capazes de prever a temperatura na qual a bactéria vai nuclear o gelo, dependendo de quantas proteínas de nucleação de gelo ela tem, "Molinero diz, "e podemos prever a temperatura em que as proteínas anticongelantes, que são muito pequenos e normalmente não funcionam em temperaturas muito baixas, pode nuclear gelo. "

O que é nucleação de gelo?

Há muito se sabe que a vida gosta de mexer com o gelo. Insetos, peixes e plantas produzem várias formas de proteínas anticongelantes para ajudá-los a sobreviver em condições abaixo de zero. E patógenos de plantas, particularmente a bactéria Pseudomonas Syringae , empregam proteínas que promovem a formação de gelo para induzir danos em seus hospedeiros. Antes de falarmos sobre como essas proteínas funcionam, no entanto, precisamos de uma rápida atualização sobre como o gelo congela.

Água pura, sem impurezas, não congela até atingir -35 graus C (-31 graus F). Essa é a temperatura na qual as moléculas de água irão se organizar espontaneamente em uma estrutura de cristal e começar a recrutar outras moléculas para se juntar a ela. Para iniciar o processo de congelamento em temperaturas mais quentes, Contudo, as moléculas de água precisam de algo para se agarrar, como um grão de poeira, fuligem ou outra impureza, na qual ele pode começar a construir sua estrutura de cristal. Este é o processo denominado nucleação.

Proteínas de nucleação de gelo, como aqueles em Ps. Syringae , ligam-se aos cristais de gelo nascentes de forma a reduzir o custo de energia do congelamento adicional. Eles também podem se agregar para aumentar ainda mais seu poder de nucleação. "É muito trabalho de grupo!" Molinero diz.

Um canhão para fazer neve

Essas proteínas podem ser tão eficientes que podem nuclear o gelo em temperaturas tão altas quanto -2 graus C (29 graus F). Proteínas de nucleação de gelo já estão sendo utilizadas em estações de esqui, com a Snomax International, com sede no Colorado, comercializando um aditivo contendo Ps. Syringae isso dá um impulso às máquinas de fazer neve.

Proteínas anticongelantes, Contudo, também se ligam ao gelo, mas force-o a desenvolver uma superfície curva que desencoraje o congelamento adicional e requer temperaturas muito mais baixas para o gelo crescer. Também, as proteínas anticongelantes não se agregam. "Eles evoluíram para ser solitários, já que seu trabalho é encontrar gelo e mantê-lo, "Molinero diz.

Tudo isso era conhecido anteriormente, incluindo o fato de que as proteínas anticongelantes eram relativamente pequenas e as proteínas de nucleação de gelo eram relativamente grandes. O que não era conhecido, no entanto, foi como os tamanhos e comportamentos de agregação das proteínas afetaram a temperatura de nucleação do gelo. Essa é a pergunta que Molinero e sua equipe se propuseram a responder.

Um "marcador único"

Molinero e estudantes de graduação Yuqing Qiu e em Arpa Hudait conduziram simulações moleculares de interações de proteínas com moléculas de água para ver como elas afetavam a temperatura de nucleação do gelo. Proteínas anticongelantes e de nucleação de gelo, Molinero diz, ligam-se ao gelo com quase a mesma força.

"A natureza está usando um único marcador em termos de interações para resolver dois problemas completamente diferentes, "ela diz." E a maneira como isso foi resolvido entre o anticongelante ou a nucleação do gelo é mudando o tamanho das proteínas e sua capacidade de se agrupar para formar superfícies maiores de ligação ao gelo. "

Proteínas anticongelantes, eles encontraram, nucleado logo acima de -35 graus C, que combinou com os dados experimentais. O alongamento das proteínas simuladas aumentou a temperatura de nucleação, que se estabilizou após um certo comprimento. As simulações previram que a montagem adicional de cerca de 35 proteínas bacterianas em domínios maiores era a chave para alcançar o desempenho de nucleação de gelo de Ps. Syringae , com uma temperatura de nucleação de -2 graus C (29 graus F).

"Agora podemos projetar novas proteínas ou materiais sintéticos que nuclear o gelo em uma temperatura específica, "Molinero diz.

Por que isso importa

As implicações de tal descoberta se estendem até o futuro da água na Terra.

A precipitação começa como gelo, que se nuclea e cresce até ficar pesado o suficiente para precipitar. Em grandes altitudes, onde é mais frio, fuligem e poeira podem fazer o trabalho de desencadear a nucleação. Mas em altitudes mais baixas, não é a poeira que desencadeia a nucleação - são as bactérias.

Sim, as mesmas proteínas em Ps. Syringae que ajudam na produção de neve em estações de esqui também ajudam na formação de gelo em temperaturas mais quentes, permitindo que nuvens de baixa altitude precipitem. Em um clima quente, As descobertas de Molinero podem ajudar os modeladores climáticos a entender melhor as condições de formação de nuvens e precipitação e prever como o aquecimento afetará a quantidade de nucleação de gelo e precipitação no futuro.

“A capacidade de prever se as nuvens vão congelar ou não é superimportante nos modelos climáticos, porque a formação de gelo determina a precipitação e também a proporção de energia solar absorvida e refletida por nossa atmosfera, "Molinero diz." O desafio de prever se o gelo se nucleará ou não nas nuvens é uma das principais limitações da capacidade de previsão dos modelos de tempo e clima. "

Em uma escala muito menor, Contudo, o anticongelante e as proteínas de nucleação de gelo podem ser empregadas juntas em uma dança de gelo afinada:alguns insetos usam proteínas anticongelantes para se protegerem até cerca de -8 graus C (18 graus F), mas, em seguida, use proteínas de nucleação de gelo em temperaturas mais baixas para conter o crescimento de gelo antes que ele saia do controle.

"O quadro geral é que agora entendemos como as proteínas usam seu tamanho e agregação para modular o quanto podem nuclear o gelo, "Molinero diz." Eu acho que isso é muito poderoso. "