Многие представители живой природы в результате эволюции научились производить особые химические вещества, позволившие им колонизировать территории с экстремально низкими температурами. Для тех, кто зовёт Арктику или Антарктику своим домом, способность к выживанию при температурах сильно ниже нуля является наиважнейшей. 

Именно из таких организмов химики выделили много природных биологических «антифризов». Один из таковых, ксиломаннан, продуцируемый холодоустойчивым арктическим ночным жуком Upis ceramboides, был тщательно изучен исследователями из Института физико-химических исследований RIKEN (Япония).

Компьютерная модель структуры биологического антифриза ксиломаннана: одна «сторона» структуры изобилует кислородными атомами, формируя полярную поверхность для связи с кристалликами льда. (Иллюстрация Yukishige Ito / RIKEN.)

Впервые ксиломаннан выделили в 2009 году; это один из наиболее эффективных антифризов у насекомых. Биологические антифризы, называемые также факторами теплового гистерезиса [thermal hysteresis factor (THF)], защищают клетки от урона, которой могли бы нанести мельчайшие кристаллики льда, обычно образующиеся внутри клеток при низкой температуре. Считается, что THF прикрепляется к поверхностям зарождающихся кристалликов и каким-то образом препятствует их дальнейшему росту, защищая клеточные мембраны от будущих ледяных игл, которые по мере своего роста протыкали бы её.

Самая необычная вещь в ксиломаннане — его строение. Все выделенные на сегодня биологические антифризы относятся к классу сложных белков-гликопротеинов [antifreeze proteins (AFP)]. А вот ксиломаннан представляет класс глюканов — длинноцепочечных веществ на основе фрагментов сахаров (но это не протеин, и в этом смысле он уникален).

Чтобы подтвердить предложенную структуру ксиломаннана и перейти к изучению собственно механизма его взаимодействия с кристалликами льда, японские учёные синтезировали то, что, как они полагали, являлось ключевым компонентом этого соединения. Структурный анализ, проведённый с использованием ядерного магнитного резонанса и молекулярного моделирования, подтвердил, что синтетическая структура совпадает с природным веществом. Полученная структура также подсказала исследователям, каким образом ксиломаннан выполняет свои функции сверхэффективного антифриза. А именно: одна «сторона» структуры ксиломаннана намного полярнее другой, что делает одну плоскость молекулы гидрофильной, а другую — гидрофобной. Таким образом, гидрофильная часть молекулы притягивается к кристаллику льда, создавая на его поверхности гидрофобный слой за счёт неполярной стороны молекулы, которая теперь обращена к раствору, отталкивая новые молекулы воды и не позволяя кристаллу расти.

Единственное, что пока остаётся не совсем понятным, — за счет каких именно групп происходит изначальное взаимодействие полярной стороны молекулы ксиломаннана с кристалликом льда. Для прояснения картины учёные собираются синтезировать более длинные фрагменты этого биоантифриза, чтобы поставить точку в исследовании его способности связываться со льдом.

В заключение отметим важность открытия биологических антифризов вообще и данной работы в частности. Понимание принципов действия и возможность использования подобных соединений в генетической инженерии позволило бы, к примеру, увеличить срок хранения замороженных продуктов, улучшить производство рыбы в местах с более холодным климатом, удлинить время сохранения тканей для трансплантологии, кардинально изменить протокол не самой простой и приятной процедуры гипотермальной терапии...