IJskoud worden zonder stuk te vriezen dankzij ijsbindende eiwitten

Onder de microscoop in het lab van de TU Eindhoven ligt een ui. Een flinterdun plakje van een rode ui, zodat het licht erdoorheen valt en de langgerekte cellen duidelijk te zien zijn. „Bij kamertemperatuur lijken het allemaal mooi verlichte kamertjes met donkerrode wanden”, zegt hoogleraar chemie Ilja Voets.

„Als je nu de temperatuur verlaagt, dan zul je zien dat de cellen stuk voor stuk donker worden.” Ze toont een eerder opgenomen rode-uienfilmpje. 15 graden boven nul: niets aan de hand.



Maar naarmate de temperatuur dankzij vloeibaar stikstof verder daalt, tot 30 graden ónder nul, gaan de cellen één voor één op zwart. IJsgroei blokkeert de lichtdoorval. „En let nu op wat er gebeurt als we de ui weer opwarmen.

De kamertjes worden licht, het ijs verdwijnt. Maar de rode vloeistof uit de cellen vloeit door de celmembranen en celwanden naar de buurcellen. Er is iets wezenlijks veranderd.

” Het bestuderen van zulke vriesdooiprocessen, zegt Voets, is essentieel voor de biomedische wetenschap en technologie. „Als je cellen invriest, bijvoorbeeld voor celkweken of voedselproductie, dan wil je dat ze na ontdooien weer precies hetzelfde zijn als voorheen. Maar dat ís niet zo.

Het celmembraan raakt beschadigd, er treden onomkeerbare veranderingen op. Verre van ideaal. In ons lab willen we kijken of we daar met ijsbindende eiwitten wat aan kunnen doen.

” Antivrieseiwitten worden ze ook wel genoemd: eiwitten die ijsgroei vertragen of veranderen. Zelf geeft Voets de voorkeur aan de overkoepelende term ijsbindende eiwitten. „Niet al die eiwitten doen namelijk hetzelfde.

Sommige binden zich aan de al aanwezige ijskristallen en gaan inderdaad verdere groei tegen, maar er zijn ook eiwitten die de groeivorm van de ijskristallen veranderen of er juist voor zorgen dat nieuwe ijskerntjes makkelijker ontstaan.” Het onderzoek aan ijsbindende eiwitten begon al in de jaren zestig, in het ijskoude water van de Zuidelijke Oceaan, rondom Antarctica. De jonge Amerikaanse bioloog Arthur DeVries was als promovendus gestationeerd op de onderzoeksbasis McMurdo, aan de rand van de Antarctische ijskap, om te onderzoeken wat de vissen in de regio zo uniek maakte.

Al langer was bekend dat het vriespunt in de ijskoude oceaan rond Antarctica vanwege het hoge zoutgehalte uitzonderlijk laag ligt: rond de -1,5 graden Celsius. Vissenbloed bevriest normaal rond de -0,9 graad Celsius. Dat die Antarctische vissen onbevroren rondzwommen kón dus eigenlijk helemaal niet.

Maar DeVries ontdekte dat ze het overleefden dankzij speciale eiwitten in hun bloed. Inmiddels zijn in de biologie zo’n vijftig verschillende ijsbindende eiwitten bekend. Ze komen niet alleen voor in koudeminnende vissen, maar ook in insecten, schimmels, planten en bacteriën.

„Ze vervullen daar verschillende functies”, vertelt Voets. „Bij dieren voorkomen ze dat het bloed bevriest, bij planten zorgen ze ervoor dat de ijskristallen niet te groot worden. Dat zijn die antivrieseigenschappen.

Maar daarnaast heb je dus ook eiwitten die juist het ontstaan van nieuwe ijskerntjes bevorderen. En sommige bacteriën klampen zich ermee vast aan drijvend ijs. Door een zogeheten biofilm te vormen met diatomeeën – eencellige algen die in de oceaan leven en zonlicht nodig hebben – blijven beide aan de onderkant van het ijs plakken.

Zo zakken de algen niet weg naar de diepzee maar kunnen ze zoveel mogelijk licht vangen en profiteren de bacteriën van de zuurstof en andere stoffen die de algen door fotosynthese produceren.” Begrijpen hóé de eiwitten werken kan uiteindelijk leiden tot een volgende stap: het maken van synthetische ijsbindende eiwitten. Dat is waar de onderzoeksafdeling van Voets zich onder andere op richt.

„Wij kijken naar zelforganisatie in biologische materie. Met andere woorden: welke structuren en condities heb je nodig om ervoor te zorgen dat een materiaal zichzelf maakt?” Wie invloed kan uitoefenen op het ijsgroeiproces, kan die kennis vervolgens breed inzetten. „Denk aan het langer goed houden van donororganen door ze in te vriezen, het vorstbestendig maken van gewassen of het verbeteren van de kwaliteit van ingevroren voedsel”, zegt Nuriye van Lamoen, die als masterstudent meedraait in de groep van Voets.

Van Lamoen studeert technische natuurkunde. „De natuur- en scheikundigen hebben het antivriesonderzoek van de biologen een beetje overgenomen. Met kunstmatige intelligentie willen we nu nieuwe ijsbindende eiwitten ontwerpen, die precies de juiste eigenschappen hebben voor de gewenste toepassingen.

” Daarvoor zijn twee computermodellen cruciaal die in 2024 de Nobelprijs voor de Scheikunde hebben opgeleverd: Rosetta en AlphaFold2. „Met Rosetta kun je een eiwit ontwerpen en uitzoeken uit welke aminozuren – dus uit welke bouwstenen – zo’n eiwit samengesteld kan worden”, aldus Van Lamoen. „Met AlphaFold2 kun je controleren of dat ontwerp ook logisch is; of de structuur van het ontworpen eiwit overeenkomt met een vorm die nodig is om aan ijs te binden.

Want eiwitten vouwen zichzelf op een bepaalde manier op, en de vorm waarin ze dat doen bepaalt hun functie.” Als voorbeeld haalt ze een 3D-geprint eiwit tevoorschijn van de Amerikaanse winterschol ( Pseudopleuronectes americanus ), een platvis die voorkomt langs de westkust van de noordelijke Atlantische Oceaan. „Dit is natuurlijk sterk uitvergroot – in werkelijkheid zijn ijsbindende eiwitten maar enkele nanometers groot.

Maar hier zie je dat er in de structuur van het eiwit een mooie alfa-helix aanwezig is, een rechtsdraaiende spiraal die als een soort kurkentrekker naar buiten steekt. Die zorgt voor de hechting aan ijskristallen.” Samen met onderzoekers van Wageningen Universiteit en het Institute for Protein Design publiceerde Voets in 2023 een artikel in PNAS over dit specifieke platviseiwit.

Onder normale omstandigheden is de alfa-helix een perfecte spiraal, maar in de ijsbindende eiwitten van de Amerikaanse winterschol blijkt er iets opmerkelijks te gebeuren: de spiraal vervormt zódanig dat de aminozuren ervan precies op de ijskristallen passen. Zo wordt verdere ijsgroei voorkomen. Van Lamoen: „De volgende stap is nu om te onderzoeken of we dit eiwit ook zodanig kunnen aanpassen dat er juist nieuwe ijskerntjes worden gevormd, zoals gebeurt bij sommige bacteriën.

Dan spreek je dus van ijskernvormende eiwitten.” Juist het onderzoeksveld van ijskernvormende materialen is de afgelopen jaren explosief gegroeid, vult Voets aan. „Het proces van ijskernvorming is onder andere belangrijk in de klimaatvoorspelling.

Want hoe meer ijskristallen er in wolken aanwezig zijn, des te meer neerslag er kan vallen.” Hoewel veel onderzoek aan ijsbindende eiwitten zich op dit moment nog in het fundamentele stadium bevindt, zijn er ook toepassingen uit de praktijk bekend. „In de Verenigde Staten zijn ijsbindende eiwitten al verwerkt in verpakte ijsjes om het suikergehalte te verlagen”, vertelt Voets.

„Daarin remmen de eiwitten de kristalgroei, waardoor het ijs met minder suiker toch lekker smeuïg blijft.”.