Extreme Minusgrade Frostschutzproteine schützen Feuerkäfer

Eine kleine Insektenlarve kann Temperaturen von minus 30 Grad überstehen: Besondere Proteine schützen sie. Forscher haben entschlüsselt, wie die Moleküle Wasser auch bei Minusgraden flüssig halten - im Prinzip verhalten sie sich wie Tanzpaare.

Frostschutzprotein und Käferlarve: Molekültanz macht Feuerkäfer zu Kältespezialisten
Konrad Meister

Frostschutzprotein und Käferlarve: Molekültanz macht Feuerkäfer zu Kältespezialisten


Ein körpereigener Frostschutz lässt die Larven eines Feuerkäfers noch bei minus 30 Grad überleben. Deutsche und amerikanische Forscher haben eine zuvor unbekannte Funktionsweise des natürlichen Frostschutzmittels aufgedeckt.

Viele Pflanzen und Tiere produzieren Frostschutzproteine, um den Winter zu überstehen. Die Eiweiße heften sich an sich an winzige Eiskristalle und verhindern so, dass diese zu einer schädlichen Größe heranwachsen. Beim Feuerkäfer Dendroides canadensis haben die Wissenschaftler einen weiteren Mechanismus des molekularen Frostschutzes beobachtet, wie die Forscher im Fachmagazin "Proceedings of the National Academy of Sciences" berichten.

"Seine Larven überstehen den Winter selbst bei minus 30 Grad Celsius. Die Frostschutzproteine dieser Art sind effektiver als alle, die ich kenne", sagt Forschungsleiterin Martina Havenith von der Ruhr-Universität Bochum. So seien die Gefrierschutzproteine des Feuerkäfers zehn bis hundert Mal aktiver als die von arktischen und antarktischen Fischen.

Wie tanzende Paare auf einem Ball

Die Wissenschaftler extrahierten Anti-Frost-Proteine aus Käferlarven und gaben etwas davon in Wasserproben. Mit Hilfe eines sogenannten Terahertz-Spektrometers beobachteten sie, wie das Wasser darauf reagierte. Wassermoleküle seien ständig in Bewegung, erklärt Havenith. "Wassermoleküle trennen und verbinden sich durchschnittlich eine Billion Mal pro Sekunde. So ähnlich, wie sich tanzende Paare auf einem Ball abklatschen."

In unmittelbarer Nähe zu den Frostschutzproteinen verlangsamte sich der Schlagabtausch der Wassermoleküle. Die Verbindungen zwischen den Wassermolekülen öffneten und schlossen sich nun bis zu dreimal langsamer. "Je ruhiger die Wassermoleküle sich bewegen, desto kälter kann es sein, bevor das Wasser gefriert", sagt Havenith.

Bei einer Wassertemperatur von 20 Grad würden Wassermoleküle noch in der siebten Lage beeinflusst, schreiben die Wissenschaftler. Bleibt man im Bild des Tanzballs, bedeutet das: Wenn Wassermoleküle in mehreren Kreisen um ein Frostschutzprotein herumwirbeln, dann tanzen die sieben innersten Kreise langsamer. "Als das Wasser nur fünf Grad Celsius warm war, trat der beruhigende Effekt auch noch bei der achten und neunten Wasserschicht um ein Frostschutzprotein herum auf", sagt Havenith.

Dieser Effekt sei ein zweiter Wirkungsmechanismus des Zell-Frostschutzes und bislang nicht bekannt gewesen. Der erste und schon länger bekannte Mechanismus ist: Die Anti-Gefrier-Proteine binden sich an ein Nanoeiskristall, also einen Eiskern, der nur Millionstel Millimeter groß ist. Daraufhin können dort keine weiteren Wassermoleküle andocken und gefrieren. So vergrößert sich der Eiskristall nicht weiter, auch wenn die Temperatur sinkt. In den Larven des untersuchten Feuerkäfers unterstützen sich beide Mechanismen, wie die Forscher berichten.

wbr/dpa



© SPIEGEL ONLINE 2013
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH


TOP
Die Homepage wurde aktualisiert. Jetzt aufrufen.
Hinweis nicht mehr anzeigen.