Het ene antivries is het andere niet

IJskristallen zijn mooi om te zien, maar ze kunnen flinke schade veroorzaken als ze voorkomen in een levend wezen. Daar kunnen ze weefsels en bloedvaten kapotmaken. Zorgen dat je niet bevriest dus. Voor dieren en planten die leven in gebieden waar de temperatuur tot flink onder nul daalt, is dat een voorwaarde om te overleven. Dat het kan, bewijzen vissen die leven in de poolzeeën. Het water is daar zo koud dat normaal gesproken hun bloed zou bevriezen. Maar antivrieseiwitten steken daar een stokje voor.

Inmiddels zijn tientallen antivrieseiwitten gevonden in de natuur en ze staan flink in de belangstelling van onderzoekers. Weten hoe je de vorming van ijskristallen kunt voorkomen of hun groei kunt beperken is interessant voor allerlei toepassingen. Denk aan het langer goed houden van diepgevroren voedsel of van organen. Slimme materialen die zijn gebaseerd op de werking van deze eiwitten kun je wellicht gebruiken als coating op vliegtuigvleugels om ijsvorming tegen te gaan. En zo zijn er nog heel veel verschillende mogelijkheden. Op Kennislink verscheen eerder een uitgebreid verhaal over het onderzoek naar antivrieseiwitten van dr. Ilja Voets van de Technische Universiteit Eindhoven.

Groeirichting

Over de exacte werking van de verschillende antivrieseiwitten valt nog veel te ontdekken. We weten dat ze aan kleine ijskristallen binden en we weten dat ze op twee manieren de groei van die ijskristallen tegengaan. De ene manier is dat ze de temperatuur waarop ijskristallen opeens heel snel gaan groeien iets verder verlagen. De andere manier is dat ze zorgen dat die kleine kristallen niet aan elkaar gaan plakken om zo grotere kristallen te vormen.

Om uit te zoeken of er een verband is tussen deze twee manieren en welke manier wanneer wordt ingezet, keken Voets en haar collega’s met microscopen hoe antivrieseiwitten binden aan ijskristallen. Ze gebruikten verschillende methoden om de activiteit van de eiwitten te bepalen. Het was meteen duidelijk dat de activiteit verschilde per methode. Een eiwit dat zeer effectief opereerde in de ene methode bleek in een andere opzet nauwelijks in staat kristalvorming aan te pakken.

De verklaring ligt in de manier waarop de ijskristallen worden opgewekt in de verschillende technieken. Dat bepaalt de groeirichting van het kristal en omdat een ijskristal niet vanuit iedere hoek bezien dezelfde vorm heeft, past niet ieder eiwit even goed op iedere kant van een kristal. Wil je de activiteit van een antivrieseiwit bepalen, dan spelen de omstandigheden waaronder het ijskristal groeit een cruciale rol. Zaken als de snelheid waarmee de temperatuur daalt, de grootte van het temperatuurverschil en de lengte van de ‘bevroren’ periode bepalen welk mechanisme nodig is.

Synthetisch antivries

Het is daarom niet verwonderlijk dat er veel verschillende antivrieseiwitten bestaan. Sommige dieren moeten snelle, maar heel grote temperatuurschommelingen kunnen doorstaan, terwijl andere vooral heel lang in ijskoude, maar stabiele condities moeten overleven. Dat vraagt om verschillende manieren om ijsvorming te bestrijden en te controleren. De belangrijkste conclusie van de onderzoekers is dan ook dat je per specifieke toepassing moet zoeken naar het meest geschikte eiwit. En als je synthetische materialen ontwerpt met antivrieseiwitten als inspiratiebron draait het niet alleen om het omhullen van een ijskristal. Je moet ook goed bedenken wat de omgevingscondities zijn van het materiaal. Als je die meeneemt is de kans op een succesvol synthetisch antivriesmiddel veel groter.