Je leest:

Antivries in het bloed

Antivries in het bloed

Antivries van de poolvis: nu ook handig voor mensen

Auteur: | 23 juni 2015

In de ijszeeën rond Antarctica zwemmen vissen die niet bevriezen. Hun geheime wapen? Antivries in het bloed. Hoe dit natuurlijke antivries werkt op moleculair niveau is nog een mysterie. Chemicus Ilja Voets van de Technische Universiteit Eindhoven zoekt het uit.

Ijsvis
Een vis met antivries.
Wikimedia Commons/Uwe kils

Het water rond de polen is dikwijls bijna min 2 graden Celsius. De meeste vissoorten zouden als een bevroren ijslolly worden opgehengeld uit de ijszeeën. Maar de poolvissen die deze wateren bevolken bevriezen niet. Het onderwaterleven op de Noord- en Zuidpool moet wel een bijzondere strategie hebben ontwikkeld om te overleven in de vrieskou. Hoe zit dat?

De vissen hebben een speciaal eiwit in hun bloed dat werkt als antivries. Het eiwit beschermt hen als de temperatuur zakt door de groei van ijskristallen te remmen. Een noodzaak voor het beestje. “Tijdens het eten en drinken komen er ijskristallen uit het zeewater het lijf van de vis binnen”, legt chemicus Ilja Voets uit van de Technische Universiteit Eindhoven uit. “Die kristallen mogen niet groter groeien: dan stopt het bloed met stromen en kunnen lichaamscellen lek geprikt worden. Dan is het einde verhaal.”

De prijs van evolutie

Evolutie oefende een druk uit op soorten om te overleven in gebieden die steeds ijziger werden. Zo ontwikkelden veel poolvissen onafhankelijk van elkaar een antivrieseiwit. Probleem opgelost. Maar voor het levensreddend antivries betalen de dieren wel een hoge prijs: ijskristallen blijven zich ophopen in hun lijf. Wetenschappers dachten eerst dat het ijs in het bloed smelt in de zomer. Maar nu blijkt dat diezelfde antivrieseiwitten voorkomen dat de ijsdeeltjes smelten bij warmere temperaturen. De vis komt dus nooit af van kleine ijskristallen. Het ligt voor de hand dat het ijs op den duur lichamelijke problemen geeft, maar zeker weten doen we dat niet.

De antivrieseiwitten plakken op de een of andere manier vast aan de ijskristallen, maar wat er precies gebeurt bij die binding is nog grotendeels een mysterie. Voets wil dat oplossen, zodat straks ook mensen van het natuurlijk antivries kunnen profiteren. “We zouden een materiaal kunnen maken en dat als coating aanbrengen op vliegtuigvleugels en bladen van windmolens om het ijs weg te houden.”

Antarctische ijsvis

Dat poolvissen zichzelf beschermen tegen bevriezing door middel van speciale eiwitten is al meer dan vijftig jaar bekend. In 1950 wilde een Canadese wetenschapper weten hoe Antarctische vissen kunnen overleven in water waarvan het vriespunt lager ligt dan hun bloed.

De verklaring moet liggen in een soort antivries in het bloed, redeneerde hij. Ongeveer tien jaar later was het de Amerikaanse bioloog met de toepasselijke naam Arthur DeVries, die voor het eerst een antivrieseiwit isoleerde uit een Antarctische ijsvis.

Sinds deze ontdekking zijn antivriesmoleculen ook gevonden in insecten, diatomen, bomen, grassen, schimmels en bacteriën. Niet alle moleculen zijn eiwitten. In 2009 berichtte het tijdschrift PNAS over een kevertje in Alaska dat kan overleven bij temperaturen tot aan min zestig graden dankzij een vetmolecuul. En nog ontdekken wetenschappers elk jaar nieuwe organismen die vrieskou kunnen weerstaan.

Ice crystals on the box
Antivries houdt de groei van ijskristallen in bedwang.

IJs in bedwang houden

“De organismen proberen zo goed mogelijk om te gaan met kleine ijskristallen”, legt Voets uit. Antivrieseiwitten stoppen de groei van ijskristallen namelijk niet: ze houden de groei alleen in bedwang door eraan te hechten. De eiwitten heten ook wel ice-structuring proteins, omdat ze de structuur van de ijskristallen beïnvloeden. Zonder antivries groeien ijskristallen uit tot een bepaalde grootte en vorm die we met het blote oog kunnen zien.

De onderzoeksgroep van Voets kijkt naar het antivrieseiwit van de Amerikaanse winterschol en van de Amerikaanse puitaal. Van de eiwitten van deze twee vissoorten is precies bekend hoe groot ze zijn en uit welke aminozuren ze zijn opgebouwd. Maar hoe ze binden aan het ijskristal is nog een vraagteken. Er binden veel eiwitten aan één kristal, zo veel is duidelijk. Experimenten laten zien dat de eiwitten waarschijnlijk geen egale laag vormen die het hele kristal bedekken. Maar wat de gemiddelde afstand is tussen de eiwitten op het oppervlak? Of dat ze alleen binden of in paren? Zitten ze vast of kunnen ze bewegen op het ijs? Het zijn allemaal nog onbeantwoorde vragen.

Voets heeft een theorie die inzicht geeft in de puzzel. “Wij denken dat de eiwitten alleen binden aan bepaalde vlakken van het ijskristal en dat er tussen de eiwitten veel ruimte zit. Op de plek tussen twee eiwitten in gaat het kristal krommen. Die kromming is energetisch ongunstig en dat maakt dat ijskristallen pas bij lagere temperaturen groter worden.”

Maar die kromming heeft nog nooit iemand in beeld weten te brengen. “Er zijn nog geen technieken om in te zoomen op het niveau van één eiwit op een klein ijskristal”, aldus Voets. “Alles wat groter is dan grofweg één micrometer kunnen we zien, maar wij proberen door nieuwe technieken te ontwikkelen juist kleiner te gaan.”

Human hepar
Kan antivries donororganen langer goed houden?
Suseno / Wikimedia Commons

Synthetische vervanger

De Eindhovense chemici willen uiteindelijk een kunstmatig materiaal maken met antivries-eigenschappen, om bijvoorbeeld vliegtuigvleugels mee te bedekken. “Op zo’n grote schaal kunnen we het niet meer af met natuurlijke eiwitten uit vissen, maar moet je toe naar een synthetische vervanger.”

Een polymeer in dit geval, dat aan ijs kan binden om de groei van ijskristallen te verhinderen. Het is nog zoeken naar de juiste bouwstenen voor het polymeer, en hoe je die het beste aan elkaar rijgt zodat het materiaal dezelfde eigenschappen krijgt als echte eiwit. “Het is bijvoorbeeld noodzakelijk dat ons polymeer, net als een antivrieseiwit, een kant heeft die wel hecht aan ijs en een kant die dat niet doet. Want als alle stukken hechten, dan zou het polymeer in het ijskristal ingekapseld worden en heeft het materiaal geen effect meer.”

Donororganen langer goed

Maar er zijn meer toepassingen dan vliegtuigvleugels. In de wetenschappelijke literatuur reppen onderzoekers al over het langer goed houden van donororganen. Of het vorstbestendig maken van gewassen. Met antivries zou je organen langer kunnen bewaren in een koude opslag. Nu mogen organen niet langer dan 24 uur op ijs liggen voor transplantatie. Het idee is: met antivries kan je die tijd verlengen zonder dat de cellen kapot gaan door bevriezing. Voets: “Wat er fysisch gebeurt als we antivries toevoegen weten we niet. Maar ik hoop binnenkort bruggen te slaan met artsen in de kliniek om dat verder uit te zoeken.”

Een toepassing waarbij je de eiwitten toe kan voegen aan een medium, zoals in het geval van donororganen, zal de eerste stap zijn, denkt Voets. Om landbouwgewassen bestendig te maken tegen vorst moet je het gen voor antivries inbouwen in het DNA. Met andere woorden: er komt genetische modificatie om de hoek kijken. En daar staat Europa nog niet om te springen. Het is trouwens al wel geprobeerd met zalm, zodat de vis ook te kweken is in het koude Canada. Dat lukte nog niet echt: de genetisch aangepaste zalm maakte niet genoeg antivries aan om in ijskoud water te laten overleven.

Ice cream dessert 02
In de VS zit in sommige ijsmerken antivrieseiwitten. Op het label staat ‘ice-structuring proteins’.

Schepijs

Antivrieseiwitten kennen tot nu toe slechts één duidelijke toepassing; en een verrassend smakelijke bovendien. In de Verenigde Staten verwerkt Unilever ze in schepijs en producten met yoghurt. Het betreffende eiwit komt uit de Amerikaanse puitaal. Om het eiwit op een duurzame manier te maken worden gistcellen aan het werk gezet. Deze genetisch aangepaste gist bevat het gen dat codeert voor antivries, zodat vissen kweken en slachten niet nodig is.

De eiwitten voorkomen dat er grote ijskristallen ontstaan in de producten. Zo blijft de zachte textuur van roomijs intact. Op het etiket zal je het woord ‘antivries’ trouwens niet aantreffen. Consumenten zouden het het weleens kunnen verwarren met het giftige ethyleenglycol dat in ruitenwisservloeistof en koelwater zit om bevriezing te voorkomen.

Bronnen:

  • Paul A. Cziko ea., ‘Antifreeze protein-induced superheating of ice inside Antarctic notothenioid fishes inhibits melting during summer warming’, PNAS. Online op 7 oktober 2014. doi: 10.1073/pnas.1410256111
  • Peter L. Davies, ‘Ice-binding proteins: a remarkable diversity of structures for stopping and starting ice growth’, Trends in Biochemical Sciences. Online in november 2014. doi:10.1016/j.tibs.2014.09.005
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 23 juni 2015

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.