Bien que cela puisse être la raison du dérapage des pneus, de l’éclatement des canalisations et des routes fermées rendant la circulation un cauchemar, glace ne se forme pas toujours aussi facilement qu’il y paraît. Il est souvent aidé par des protéines fabriquées par des champignons.
Peu importe l’idée répandue selon laquelle la glace se forme à 0 °C (32 °F). Bien qu’il s’agisse du point de congélation de l’eau, l’eau pure ne gèlera que lorsque les températures chuteront jusqu’à moins 46 °C (moins 50,8 °F). Alors pourquoi gèle-t-il généralement à zéro de toute façon ? Les organismes tels que les bactéries, les insectes et les champignons produisent des protéines appelées nucléateurs de glace (les nucléateurs non protéiques peuvent également être d’origine abiotique). Ces protéines peuvent relancer la formation, ou nucléationde glace à des températures plus élevées que celles auxquelles l’eau pure gèlerait.
Bien que la raison exacte pour laquelle les champignons produisent ces protéines reste inconnue, les chercheurs Valeria Molinero de l’Université de l’Utah et Konrad Meister de l’Université d’État de Boise ont mené une étude qui a révélé davantage sur la façon dont les nucléateurs fongiques de la glace peuvent à la fois favoriser et freiner la formation de glace plus efficacement que ceux-là. de nombreuses autres formes de vie.
Arriver au noyau
Les organismes capables de produire des nucléateurs de glace appartiennent à différents règnes biologiques, mais on pense qu’ils ont développé la même capacité de manière indépendante, un phénomène connu sous le nom d’évolution convergente. Les nucléateurs fongiques de la glace étaient une énigme jusqu’à ce que Molinero, Meister et leur équipe étudient les nucléateurs produits par le champignon. Fusarium acuminatum.
« Nous trouvons une activité de fixation et de formation de la glace de Fusarium [ice nucleators]suggérant un lien potentiel entre la croissance de la glace et l’inhibition », ont déclaré les scientifiques dans une étude récemment publiée dans PNAS.
Les nucléateurs de glace aident à geler l’eau grâce à une nucléation rapide, processus par lequel les molécules d’eau initient la formation de cristaux de glace. Former un cristal signifie des molécules de H2O doit s’aligner dans des orientations spécifiques pour former une structure en treillis rigide. Cela commence par un petit groupe de molécules en réseau, un « noyau » dans l’eau liquide. Si ce noyau est suffisamment gros, davantage de molécules d’eau s’y agrégeront jusqu’à ce qu’un cristal de glace se forme.
Ceci est difficile à réaliser pour l’eau pure seule, car le mouvement de ses molécules rend difficile la formation d’un noyau. Les protéines nucléatrices de la glace aident les molécules d’eau à s’agréger en un noyau. Certains nucléateurs bactériens sont si efficaces que les bactéries qui les produisent sont utilisées pour fabriquer neige dans les stations de ski.
Figé dans le mystère
Fusarium les nucléateurs sont également très efficaces et efficients. L’équipe de Meister et Molinero a découvert que ces protéines fongiques sont beaucoup plus petites que la plupart de celles synthétisées par les bactéries et d’autres organismes, et qu’un grand nombre d’entre elles se réunissent en structures complexes qui aident la glace à se nucléer. Même lorsque les niveaux de Fusarium les protéines ont été réduites en laboratoire, elles pourraient encore déclencher le processus de nucléation.
Les scientifiques ont une hypothèse sur la raison pour laquelle Fusarium et certains autres organismes ont développé de si petites molécules qui s’agrègent si efficacement : « Nous espérons que le bénéfice énergétique pour l’organisme en produisant des protéines plus petites, plutôt qu’une seule grande, contribue au succès et à l’adoption de [this] stratégie à travers des espèces qui ne sont pas liées à l’évolution », ont-ils déclaré dans le même étude.
Une autre question – dont la réponse n’est pas encore cristallisée – est de savoir pourquoi les champignons utilisent des nucléateurs de glace. Il reste encore à déterminer s’ils sont destinés à favoriser la formation de glace ou s’il s’agit d’un effet secondaire accidentel d’un autre avantage qu’ils apportent au champignon.
Mais créatures comme des grenouilles pourrait nous donner un indice. De nombreuses espèces de grenouilles possèdent un antigel naturel qui les maintient en vie pendant qu’elles tombent dans un état de torpeur pendant les mois les plus froids. Il n’est pas rare qu’ils finissent recouverts de glace, mais les nucléateurs de glace produits dans leurs cellules les aident à contrôler l’endroit où se forme la glace, les gardant ainsi en vie (avec un antigel composé d’urée et de glucose). Certaines espèces ingèrent également des bactéries qui facilitent le processus. Les nucléateurs de glace des champignons pourraient-ils faire partie d’un système antigel similaire ? À ce stade, personne ne le sait.
Alors que l’on continue à démystifier les nucléateurs de glace biologiques et abiotiques, ils pourraient éventuellement être utilisés pour des méthodes plus efficaces de congélation des aliments, de fabrication de neige, créer des nuageset peut-être la congélation cryogénique de cellules humaines, récemment réussi. L’avenir est figé.
PNAS, 2023. DOI : 10.1073/pnas.2303243120.