03.01.13

Anti-Gefrier-Schutz

Feuerkäferlarven überleben noch bei minus 30 Grad

Manche Tiere bilden ihr eigenes Frostschutzmittel im Körper und überleben somit selbst bei klirrender Kälte. Doch die unangefochtenen Kältemeister sind die Larven des antarktischen Feuerkäfers.

Ein körpereigener Frostschutz lässt die Larven eines antarktischen Feuerkäfers noch bei minus 30 Grad überleben. Deutsche und amerikanische Forscher haben jetzt eine zuvor unbekannte Funktionsweise des natürlichen Frostschutzmittels aufgedeckt.

Die Gruppe um Martina Havenith von der Ruhr-Universität Bochum präsentiert ihre Erkenntnisse in den "Proceedings" der US-Akademie der Wissenschaften.

Verschiedene Pflanzen und Tiere produzieren Frostschutzproteine, um tiefe Wintertemperaturen zu überdauern. Die Anti-Frost-Eiweiße heften sich an winzige Eiskristalle und verhindern so, dass diese zu einer schädlichen Größe heranwachsen.

Beim Feuerkäfer Dendroides canadensis haben die Wissenschaftler einen weiteren Wirkmechanismus des molekularen Frostschutzes beobachtet. "Der Käfer lebt in der Antarktis; seine Larven überstehen den Winter selbst bei minus 30 Grad Celsius. Die Frostschutzproteine dieser Art sind effektiver als alle, die ich kenne", sagt Forschungsleiterin Havenith.

Verlangsamter Schlagabtausch

Die Wissenschaftler extrahierten Anti-Frost-Proteine aus den Käferlarven und gaben etwas davon in Wasserproben. Mit Hilfe eines sogenannten Terahertz-Spektrometers beobachteten sie, wie das Wasser darauf reagierte.

Wassermoleküle seien ständig in Bewegung, erklärt Chemikophysikerin Havenith: "Wassermoleküle trennen und verbinden sich durchschnittlich eine Billionen Mal pro Sekunde. So ähnlich wie sich tanzende Paare auf einem Ball abklatschen."

Es zeigte sich: In unmittelbarer Nähe zu den Frostschutzproteinen verlangsamte sich der Schlagabtausch der Wassermoleküle. Die Verbindungen zwischen den Wassermolekülen öffneten und schlossen sich nun bis zu dreimal langsamer. "Je ruhiger die Wassermoleküle sich bewegen, desto kälter kann es sein, bevor das Wasser gefriert", sagt Havenith.

Bei einer Wassertemperatur von 20 Grad würden Wassermoleküle noch in der siebten Lage beeinflusst, schreiben die Wissenschaftler. Bleibt man im Bild des Tanzballs, bedeutet das: Wenn Wassermoleküle in mehreren Kreisen um ein Frostschutzprotein herumwirbeln, dann tanzen die sieben innersten Kreise langsamer.

Bislang unbekannten Effekt nachgewiesen

"Als das Wasser nur fünf Grad Celsius warm war, trat der beruhigende Effekt auch noch bei der achten und neunten Wasserschicht um ein Frostschutzprotein herum auf", sagt Havenith. Die Forscher sprechen dabei von einem langreichweitigen Effekt der Anti-Frost-Proteine.

Dieser Effekt sei ein zweiter Wirkungsmechanismus der Frostschutz-Eiweiße und bislang nicht bekannt gewesen. Der erste und schon länger bekannte Mechanismus ist: Die Anti-Gefrier-Proteine binden sich an ein Nano-Eiskristall, also einen Eiskern, der nur Millionstel Millimeter groß ist.

Daraufhin können dort keine weiteren Wassermoleküle andocken und gefrieren. So vergrößert sich der Eiskristall nicht weiter, auch wenn die Temperatur sinkt.

In den Larven des untersuchten Feuerkäfers würden sich beide Mechanismen unterstützen, sagt Havenith: "In dem beruhigten Wasser finden die Nanokristalle und die Anti-Frost-Proteine leichter zueinander."

Gefrierschutz wesentlich effizienter als bei Fischen

Die Gefrierschutzproteine des Feuerkäfers sind zehn bis hundert Mal aktiver als die von arktischen und antarktischen Fischen, die sich gegen Temperaturen von minus 1,9 Grad Celsius schützen müssen. Diese hohe Gefrierschutzaktivität erreichen die Insekten durch die Kombination der zwei Strategien: direkte Interaktion zwischen Proteinen und Eis und Interaktion über Wassermoleküle.

"Die besondere Rolle des Wassers beim natürlichen Frostschutz ist ein exzellentes Beispiel dafür, dass man bei der Betrachtung der Funktion eines Biomoleküls nicht nur seine Struktur, sondern seine gesamte Umgebung berücksichtigen muss – insbesondere das Lösungsmittel, in diesem Fall Wasser", sagt Havenith.