Il existe une protéine fongique pour ça

La façon dont la glace se forme est bien plus intéressante que vous ne le pensez. Ce processus physique fondamental, parmi les plus courants dans la nature, reste également quelque peu mystérieux malgré des décennies d’examen scientifique.

Aujourd’hui, de nouvelles recherches menées par l’Université de l’Utah, en collaboration avec l’Institut allemand Max Plank pour la recherche sur les polymères et l’Université d’État de Boise en Idaho, jettent un nouvel éclairage sur le rôle des agents biologiques, produits par les champignons de toutes choses, dans la formation de la glace.

Contrairement à ce qu’on nous a enseigné à l’école, l’eau ne gèle pas nécessairement à 0 degré Celsius (32 degrés F) en raison de la barrière énergétique inhérente aux transitions de phase.

L’eau totalement pure ne gèlera pas tant qu’elle n’aura pas refroidi jusqu’à -46 °C. Les molécules d’eau ont besoin de particules sur lesquelles construire les cristaux qui conduisent à la glace, un processus appelé nucléation. Les organismes ont développé diverses façons de contrôler la formation de glace afin de s’adapter pour survivre dans des environnements froids.

Ainsi, les particules de glace les plus efficaces sont d’origine biologique, produites par des bactéries et des champignons, ou même par des insectes, mais les bases moléculaires et les mécanismes précis des « noyaux biologiques de glace » n’ont pas été bien compris.

La capacité d’un champignon à contrôler la glace

Valeria Molinero, chimiste théoricienne au Collège des sciences de l’Université de l’Utah, est à l’avant-garde de la résolution de ce mystère, qui pourrait avoir des implications pour améliorer notre compréhension de la façon dont la vie affecte les précipitations et le climat.

Dans une nouvelle étude qu’elle a codirigée, une équipe internationale de chercheurs explore les caractéristiques et les propriétés des nucléateurs fongiques de la glace, révélant qu’ils sont constitués de petites sous-unités protéiques et jouent un rôle dans la promotion et l’inhibition de la croissance de la glace.

“Ce sont des protéines qui sont excrétées dans l’environnement et ces particules sont extrêmement efficaces pour la nucléation de la glace”, a déclaré Molinero, directeur du Centre Henry Eyring de chimie théorique de l’université. “Mais la manière dont l’organisme bénéficie de ces capacités de nucléation de la glace n’est pas connue et cela n’existe pas dans toutes les variantes possibles de l’organisme. Nous ne savons pas pourquoi elles forment de la glace ni s’il y a un avantage.”

L’équipe multidisciplinaire s’est penchée sur une espèce de champignon appelée Fusarium acuminatum et a découvert qu’elle produisait des protéines ultra-minutes qui s’agrègent en particules plus grosses. Leurs conclusions sont publiées cette semaine dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.

Selon le co-auteur principal Konrad Meister, le mécanisme de formation de plus gros agrégats à partir de blocs de construction plus petits se retrouve dans d’autres organismes que les champignons.

“Néanmoins, nous avons été surpris par la petite taille des éléments constitutifs des protéines fongiques par rapport à leur efficacité”, a déclaré Meister, professeur de chimie à Boise State. “D’autres protéines de fabrication de glace connues et tout aussi efficaces provenant d’autres organismes, par exemple, sont 25 fois plus grosses.”

Comment les organismes évoluent de différentes manières pour atteindre le même résultat

Les bactéries et les protéines fongiques peuvent favoriser la formation de glace à des températures allant de -10 à -2 degrés. Certaines bactéries sont si efficaces pour promouvoir la glace qu’elles sont utilisées dans les produits que les stations de ski utilisent pour l’enneigement.

Molinero est intriguée par le fait que tant de types différents d’organismes ont développé des capacités de nucléation de glace similaires, ce qu’elle a initialement intitulé son article « E pluribus unum », signifiant « parmi plusieurs, un », mais le journal a insisté pour qu’ils abandonnent le latin.

“Si vous regardez les royaumes capables de nucléer la glace, vous verrez des insectes, des lichens, des bactéries et des champignons. Tous semblent avoir évolué indépendamment, des nucléateurs de glace très puissants”, a-t-elle déclaré. “Toute la nucléation de la glace dans la nature qui est extrêmement efficace semble être réalisée par des protéines, bien que la taille de chaque protéine nucléant la glace varie beaucoup selon les organismes.”

Les avantages écologiques de la nucléation de la glace et son rôle dans la formation des nuages ​​et les précipitations ne sont pas encore entièrement compris et posent une lacune importante dans notre compréhension de l’interaction entre le climat et la vie, selon l’étude. La recherche peut améliorer l’efficacité du processus de congélation des aliments, de fabrication de neige et d’ensemencement des nuages.

Cependant, les découvertes de l’équipe soulèvent de nombreuses autres questions, telles que pourquoi et comment ces protéines s’agrègent.

“L’autre question est de savoir s’ils font cela exprès ou s’il s’agit simplement d’une protéine qu’ils produisent pour autre chose, mais qui possède cette propriété”, a déclaré Molinero.

La résolution de ces questions fondamentales nécessitera un travail d’équipe, réunissant des chercheurs possédant une expertise dans divers domaines de la chimie, de la biophysique et de la biologie.

“C’est le message positif. Résoudre l’énigme du contrôle biologique de la formation de glace pousse les scientifiques à collaborer”, a déclaré Molinero. “Chacun de nous possède une part de connaissances, mais tous ensemble, nous pouvons faire beaucoup de choses. C’est amusant.”