Синтетический белок из крови рыб защитит продукты и лекарства от замерзания

Джессика Крамер (слева) и Томас Макпартлон изучают размер кристаллов льда в образце, обработанном их белком, в лаборатории Университета Юты. Автор: Dan Hixson, University of Utah

Каждый, кто сталкивался с «ожогом морозильной камеры», знает, что кристаллы льда могут создавать проблемы при низких температурах. Однако острые края кристаллов льда способны на большее, чем просто испортить текстуру мороженого. На микроскопическом уровне они могут разрушать структуру живых клеток или биологических лекарств, таких как ферменты и антитела, которые, тем не менее, необходимо транспортировать при заморозке.

Антифриз в вашем автомобиле — этиленгликоль — токсичен, поэтому он не подходит для продуктов или лекарств. Вместо этого исследователи обратились за вдохновением к природе: у рыб, обитающих в полярных водах, в крови есть белки, которые предотвращают её замерзание.

Теперь исследователи из Инженерного колледжа Джона и Марсии Прайс Университета Юты разработали способ создания упрощённой синтетической версии этого белка, достаточно простой для массового производства, но достаточно эффективной, чтобы подавлять образование кристаллов льда при температурах ниже нуля.

Исследователи продемонстрировали эффективность своих имитирующих полипептидов в нескольких реальных тестовых случаях, включая мороженое и противораковый препарат трастузумаб. Первое успешно охлаждали до -20°C, а второй выдерживал температуры до -197°C.

Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials. Работу возглавили Джессика Крамер, доцент кафедры биомедицинской инженерии, и Томас Макпартлон, аспирант её лаборатории.

Десятилетиями исследователи изучали природные антифризные белки, обнаруженные у некоторых полярных рыб, а также у насекомых и растений. Однако извлечение значительных количеств этих белков из живых организмов непрактично для коммерческого использования. Они также подвержены загрязнению аллергенами.

Анализы антифризной активности. Автор: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202420504

Поэтому Крамер и её коллеги решили определить точные физические и химические свойства этих белков, ответственные за их антифризные способности. Две более ранние работы, опубликованные в Chemistry of Materials и Biomacromolecules, продемонстрировали структурные особенности, наиболее критичные для природных белков.

«В конечном счёте, мы упростили структуру, оставив только те части, которые, по нашему мнению, необходимы для антифризной активности, что делает производство менее сложным и дорогостоящим, — сказала Крамер. — Несмотря на эти изменения, это исследование показало, что наши имитаторы связываются с поверхностью кристаллов льда и подавляют их рост, точно так же, как природные антифризные белки».

«Что лучше всего, — добавил Макпартлон, — мы создаём эти имитаторы полностью с помощью химии — без участия рыб или клеток».

В качестве доказательства концепции исследователи продемонстрировали, что молекулы-имитаторы нетоксичны для человеческих клеток, перевариваются ферментами человеческого кишечника и могут выдерживать нагревание — критически важный фактор для их потенциального использования в производстве продуктов питания. Они также провели тесты на чувствительных ферментах и антителах, показав, что имитаторы защищают их от повреждений, связанных с циклами заморозки-оттаивания.

«Мы также показали, что можем подавлять образование кристаллов льда в мороженом, что часто происходит во время доставки или когда люди достают упаковку из морозильника и кладут обратно», — отметила Крамер.

Исследователи предполагают, что их молекулы-имитаторы позволят реализовать широкий спектр применений — от увеличения срока годности замороженных продуктов до улучшения хранения и транспортировки жизненно важных биологических препаратов. Технология в настоящее время ожидает патентования, и команда работает над выводом своей инновации на рынок через новую стартап-компанию Lontra Bio LLC, которая стремится коммерциализировать эти синтетические антифризные белки.

Интересный факт: Природные антифризные белки (AFPs) были впервые обнаружены у антарктических рыб в конце 1960-х годов. Эти белки не просто понижают точку замерзания жидкости, а специфически препятствуют росту и перекристаллизации льда, что делает их механизм действия уникальным по сравнению с традиционными антифризами.