Antifriz proteini arktičkih riba

U ledenim vodama Arktika i Antarktika, gde temperature često padaju ispod tačke smrzavanja, život opstaje na granici mogućeg. Za većinu organizama, takvi uslovi bi značili formiranje kristala leda u telesnim tečnostima i razaranje ćelija. Ipak, mnoge polarne ribe ne samo da preživljavaju, već i aktivno funkcionišu u tim ekstremnim uslovima. Ključ njihove sposobnosti leži u posebnim molekulima poznatim kao antifriz proteini, koji sprečavaju stvaranje i rast kristala leda. Ovi proteini predstavljaju fascinantan primer evolutivne adaptacije i otvaraju vrata razumevanju kako život može opstati u naizgled nemogućim uslovima.

 Arktičke pastrmke

Izvor: https://cdn.theatlantic.com/thumbor

Raznovrsnost i građa antifriz proteina

Proteini koji se vezuju za led (engl. ice-binding proteins) mogu se podeliti u tri glavne funkcionalne grupe. Proteini koji podstiču formiranje leda iniciraju stvaranje kristala leda na negativnim temperaturama blizu nule, dok antifriz proteini (AFP) snižavaju tačku smrzavanja telesnih tečnosti, čime štite organizam od zamrzavanja. Treću grupu čine proteini koji inhibiraju rekristalizaciju leda, koji sprečavaju spajanje i rast već formiranih kristala.

Kod polarnih riba, prema strukturi, AFP se klasifikuju u četiri tipa (I–IV). Iako se njihovi trodimenzionalni oblici razlikuju, svi obavljaju istu osnovnu funkciju – vezuju se za površinu kristala leda i sprečavaju njegov dalji rast. Zanimljivo je da ove različite strukture ne vode poreklo od zajedničkog pretka, već su se nezavisno razvile, što predstavlja klasičan primer konvergentne evolucije. Stabilno vezivanje leda omogućavaju specifični hidrofobni regioni proteina i aminokiseline poput treonina i alanina.

AFP se stvaraju u različitim tkivima, u zavisnosti od vrste i tipa proteina. Neki nastaju u jetri i cirkulišu kroz krv, štiteći telesne tečnosti, dok se drugi proizvode direktno u koži, plućima ili crevima, gde štite površinska i periferna tkiva. Prisustvo ovih proteina u ćelijama i ekstracelularnim tečnostima omogućava dvostruku zaštitu – unutar tela i na površini koja dolazi u kontakt sa ledenom vodom.

Tipovi AFP

Izvor: https://media.springernature.com

Molekularni štit protiv leda

AFP deluju kao molekularni štit protiv leda. Oni se selektivno vezuju za površinu mikroskopskih kristala leda koji počinju da se formiraju u telesnim tečnostima, blokirajući njihov dalji rast. Ovaj proces, poznat kao mehanizam adsorpcije-inhibicije, stvara termalnu histerezu, odnosno razliku između tačke smrzavanja i topljenja, čime se sprečava nekontrolisano širenje leda unutar organizma. Bez prisustva AFP, čak i mali kristali leda brzo rastu i spajaju se u veće strukture, što oštećuje ćelijske membrane, narušava osmotsku ravnotežu i može dovesti do smrti ćelija. Upravo zato je kontrola rasta kristala, a ne samo njihovo sprečavanje, ključna za preživljavanje riba u ekstremno hladnim vodama.

Evolucija i poreklo antifriz proteina

AFP kod riba su se razvili kao odgovor na ekstremno hladne uslove. Kod ribe zvezdasti list, gen koji kodira AFP potiče od prethodno antiviralnog gena Gig2. Kroz niz duplikacija i genetičkih promena, taj gen se transformisao u gen čiji se proteinski produkt vezuje za led i sprečava njegov rast. Nastanak i širenje ovog gena poklapa se sa periodom hlađenja okeana tokom ledenih doba kenozoika, što pokazuje kako su se organizmi prilagodili dramatičnim klimatskim promenama, razvijajući nove gene koji im omogućavaju da prežive u vodi ispunjenoj ledom.

Upotreba u tehnologiji i svakodnevnom životu

Iako su AFP nastali u prirodi, danas imaju široku primenu u tehnologiji zahvaljujući svojoj sposobnosti da inhibiraju rast kristala leda. U medicini se koriste za krioprezervaciju ćelija, tkiva i organa, kao i za očuvanje semenki i mikroorganizama. U prehrambenoj industriji pomažu sladoledu i smrznutoj hrani da zadrže glatku teksturu sprečavajući stvaranje velikih kristala leda. U poljoprivredi AFP mogu povećati otpornost biljaka na mraz, dok se u drugim granama industrije istražuje njihova primena za premazivanje površina u transportu, avijaciji i energetskim sistemima, čime se smanjuje zaleđivanje. Ove primene jasno pokazuju kako molekularni mehanizmi razvijeni u ekstremnim ekosistemima mogu postati moćni i praktični alati u svakodnevnom životu.

Primena antifriz proteina

Izvori: https://www.mdpi.com/foods

Izvori:

• Graham, L. A., Gauthier, S. Y., & Davies, P. L. (2022). Origin of an antifreeze protein gene in response to Cenozoic climate change. Scientific Reports, 12(8536). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12446-4
• Wang, S., Amornwittawat, N., & Wen, X. (2012). Thermodynamic analysis of thermal hysteresis: Mechanistic insights into biological antifreezes. Journal of Chemical Thermodynamics, 53, 125–130. https://doi.org/10.1016/j.jct.2012.04.028
• Gharib, G., Saeidiharzand, S., Sadaghiani, A. K., & Koşar, A. (2022). Antifreeze proteins: A tale of evolution from origin to energy applications. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 9. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8851421/