לשבור את הקרח – ולהשאיר אותו שלם

יצורים חיים יכולים לשרוד חורפים קשים במיוחד בעזרת חומרים מונעי-קפיאה. חלבונים אלה מסייעים בין היתר לדגים, לחרקים, לצמחים ואפילו לחיידקים, לעמוד בטמפרטורות נמוכות במיוחד; אלמלא אותם חלבונים הייתה תכולתם הנוזלית קופאת, והם היו מוצאים את מותם. למרבה הפלא, בתנאי קור מסוימים, החלבונים מונעי-הקפיאה יכולים לעודד קפיאה. ממצאים אלה התגלו באחרונה בניסויים שנערכו בישראל ובגרמניה בחלבונים שמקורם בדגים ובחיפושיות. לתוצאות המחקר, שפורסמו בכתב-העת המדעי Journal of Physical Chemistry Letters, עשויות להיות השלכות על הבנת התהליכים הבסיסיים של היווצרות קרח.

חלבונים מונעי-קפיאה אינם מונעים מהקרח להיווצר מלכתחילה. למעשה, הם נקשרים ל"גרעיני" הקרח הזעירים שנוצרים בתא החי, ומונעים מהם מלהפוך לגבישים גדולים יותר. חלבונים אלה מצויים למשל בשלד החיצוני של זחלי חיפושיות הקמח ושומרים על העור הפגיע של הזחלים. בטבע מצויים גם חלבונים שעושים בדיוק את ההפך: מקדמים היווצרות קרח. חיידקים מסוימים, למשל, יכולים ליצור בעזרת חלבונים אלה גבישי קרח חדים הפוצעים קליפות של פירות או עלים. חרף הסברה המתקבלת על הדעת כי אלה סוגים שונים בתכלית של חלבונים, מחקרים קודמים הצביעו על דמיון מסוים ביניהם. הנחת היסוד של המחקרים התבססה על כך שבחלבונים מונעי-קפיאה יש אתר פעיל שיכול להיקשר לקרח – ולפיכך ביכולתם לסייע בהיווצרות גרעין קרח ראשוני שעשוי לגדול בהמשך לגביש קרח. עם זאת, עד כה לא נמצאה הדרך לאפיין באופן מלא את פעילותן של מולקולות ביולוגיות אלה.

חלבונים מונעי-קפיאה משמשים כיום בתעשיית המזון – למשל, כדי לשמור על מרקמה החלק של הגלידה ולהרחיק קרח מפני השטח החיצוניים שלה

את המחקר הנוכחי הוביל פרופ' תומס קופ מאוניברסיטת ביילפלד בגרמניה בשיתוף פעולה עם פרופ' עידו ברסלבסקי מהאוניברסיטה העברית בירושלים ופרופ' ינון רודיך ממכון ויצמן למדע. המחקר התאפשר הודות למכשיר מיקרופלואידי שפיתחה ד"ר נעמה רייכר מקבוצת המחקר של פרופ' רודיך המאפשר ללכוד טיפות זעירות במיוחד של מים נקיים מאוד באמצעות מיקרו-מערך של שבבים. למיקרו-טיפות אלה, הוסיפו החוקרים כמויות מדודות היטב של חלבונים מונעי-קפיאה שבודדו מזחלי חיפושיות הקמח או מדגים החיים באזור הקוטב הצפוני. מערך ניסויי זה אפשר לקבוצת המחקר לוודא שהיווצרות הקרח מושרית על-ידי החלבונים.

במהלך הניסוי, המיקרו-טיפות שנלכדו נותרו נוזליות גם כאשר הטמפרטורה צנחה מתחת לאפס, שכן לא היו בהן את אותם חלקיקים ומזהמים הגורמים למים לקפוא ב-0 מעלות צלזיוס. רק סביב 38.5 מעלות מתחת לאפס, החלו לקפוא טיפות המים שלא הוסיפו להן מאום, בעוד בכמחצית מהדגימות שהוספו להן חלבונים מונעי-קפיאה החלו להיווצר גבישי קרח בטמפרטורה גבוהה יותר – קרוב למינוס 34 מעלות. במלים אחרות, הניסוי הראה כי בטמפרטורות מסוימות, שהן אמנם קיצוניות אך לא בלתי-מוכרות על-פני כדור הארץ, מונעי-הקפיאה הופכים למעשה למקדמי-קפיאה. מטבע הדברים, חלבונים אשר מקדמים היווצרות קרח מסוגלים ליצור קרח ביעילות בטמפרטורות גבוהות יותר. המדענים משערים כי ההבדל העיקרי בין סוגי החלבונים נעוץ בגודלם: חלבונים מעודדי-קפיאה גדולים יותר באופן משמעותי.

חלבונים מונעי-קפיאה שמקורם בדגים, משמשים כיום בתעשיית המזון – למשל, כדי לשמור על מרקמה החלק של הגלידה ולהרחיק קרח מפני השטח החיצוניים שלה. המחקר הנוכחי מצביע על האפשרות כי לחלבונים אלה עשויות להיות מגבלות, ולמעשה, הם עלולים לקדם הצטברות קרח כאשר הם נחשפים לטמפרטורות נמוכות מאוד, כמו אלה שחוותה יבשת צפון אמריקה השנה. לחלבונים שמקדמים את צמיחתם של גבישי קרח שימושים משלהם – למשל באתרי סקי שמעוניינים להאריך את עונת הגלישה שלהם, כך שמחקר זה על חלבונים מונעי-קפיאה עשוי גם להצביע על דרכים ליצירת חלבונים משופרים שיעודדו קפיאה. עבור פרופ' רודיך, שמחקרו מתמקד באטמוספירה ובאקלים, הממצאים עשויים לשפוך אור על התהליכים הפיסיקליים המשפיעים על יצירת עננים.

לקבלת מידע נוסף, תמונות ולתיאום ראיונות:
משרד הדובר - מכון ויצמן למדע
08-9343856 news@weizmann.ac.il