Antivries in het bloed

Het water rond de polen is dikwijls bijna min 2 graden Celsius. De meeste vissoorten zouden als een bevroren ijslolly worden opgehengeld uit de ijszeeën. Maar de poolvissen die deze wateren bevolken bevriezen niet. Het onderwaterleven op de Noord- en Zuidpool moet wel een bijzondere strategie hebben ontwikkeld om te overleven in de vrieskou. Hoe zit dat?

De vissen hebben een speciaal eiwit in hun bloed dat werkt als antivries. Het eiwit beschermt hen als de temperatuur zakt door de groei van ijskristallen te remmen. Een noodzaak voor het beestje. “Tijdens het eten en drinken komen er ijskristallen uit het zeewater het lijf van de vis binnen”, legt chemicus Ilja Voets uit van de Technische Universiteit Eindhoven uit. “Die kristallen mogen niet groter groeien: dan stopt het bloed met stromen en kunnen lichaamscellen lek geprikt worden. Dan is het einde verhaal.”

De antivrieseiwitten plakken op de een of andere manier vast aan de ijskristallen, maar wat er precies gebeurt bij die binding is nog grotendeels een mysterie. Voets wil dat oplossen, zodat straks ook mensen van het natuurlijk antivries kunnen profiteren. “We zouden een materiaal kunnen maken en dat als coating aanbrengen op vliegtuigvleugels en bladen van windmolens om het ijs weg te houden.”

Antarctische ijsvis

Dat poolvissen zichzelf beschermen tegen bevriezing door middel van speciale eiwitten is al meer dan vijftig jaar bekend. In 1950 wilde een Canadese wetenschapper weten hoe Antarctische vissen kunnen overleven in water waarvan het vriespunt lager ligt dan hun bloed.

De verklaring moet liggen in een soort antivries in het bloed, redeneerde hij. Ongeveer tien jaar later was het de Amerikaanse bioloog met de toepasselijke naam Arthur DeVries, die voor het eerst een antivrieseiwit isoleerde uit een Antarctische ijsvis.

Sinds deze ontdekking zijn antivriesmoleculen ook gevonden in insecten, diatomen, bomen, grassen, schimmels en bacteriën. Niet alle moleculen zijn eiwitten. In 2009 berichtte het tijdschrift PNAS over een kevertje in Alaska dat kan overleven bij temperaturen tot aan min zestig graden dankzij een vetmolecuul. En nog ontdekken wetenschappers elk jaar nieuwe organismen die vrieskou kunnen weerstaan.

IJs in bedwang houden

“De organismen proberen zo goed mogelijk om te gaan met kleine ijskristallen”, legt Voets uit. Antivrieseiwitten stoppen de groei van ijskristallen namelijk niet: ze houden de groei alleen in bedwang door eraan te hechten. De eiwitten heten ook wel ice-structuring proteins, omdat ze de structuur van de ijskristallen beïnvloeden. Zonder antivries groeien ijskristallen uit tot een bepaalde grootte en vorm die we met het blote oog kunnen zien.

De onderzoeksgroep van Voets kijkt naar het antivrieseiwit van de Amerikaanse winterschol en van de Amerikaanse puitaal. Van de eiwitten van deze twee vissoorten is precies bekend hoe groot ze zijn en uit welke aminozuren ze zijn opgebouwd. Maar hoe ze binden aan het ijskristal is nog een vraagteken. Er binden veel eiwitten aan één kristal, zo veel is duidelijk. Experimenten laten zien dat de eiwitten waarschijnlijk geen egale laag vormen die het hele kristal bedekken. Maar wat de gemiddelde afstand is tussen de eiwitten op het oppervlak? Of dat ze alleen binden of in paren? Zitten ze vast of kunnen ze bewegen op het ijs? Het zijn allemaal nog onbeantwoorde vragen.

Voets heeft een theorie die inzicht geeft in de puzzel. “Wij denken dat de eiwitten alleen binden aan bepaalde vlakken van het ijskristal en dat er tussen de eiwitten veel ruimte zit. Op de plek tussen twee eiwitten in gaat het kristal krommen. Die kromming is energetisch ongunstig en dat maakt dat ijskristallen pas bij lagere temperaturen groter worden.”

Maar die kromming heeft nog nooit iemand in beeld weten te brengen. “Er zijn nog geen technieken om in te zoomen op het niveau van één eiwit op een klein ijskristal”, aldus Voets. “Alles wat groter is dan grofweg één micrometer kunnen we zien, maar wij proberen door nieuwe technieken te ontwikkelen juist kleiner te gaan.”