Wenn Frostschutz-Eiweiße das Eis vorm Schmelzen schützen

AFP-Proteine senken nicht nur den Gefrierpunkt von Wasser, sie heben auch den Schmelzpunkt von Eis

Athens (USA)/Kingston (Kanada) - Was gegen Vereisen hilft, verzögert auch das Schmelzen: Überrascht stellte ein internationales Forscherteam fest: Frostschutz-Proteine, die etwa Pflanzen und Tieren im Winter vor dem Erfrieren schützen, können gleichzeitig den Schmelzpunkt von Eis in die Höhe treiben. Stundenlang blieben Eiskristalle im Labor stabil, obwohl sie im Normalfall über null Grad Celsius längst geschmolzen wären. Offenbar lagern sich die Eiweiße an die Oberfläche der Kristalle an und hemmen damit sein Wachstum. Entsprechend schützen sie ihn gleichzeitig eine Weile vor dem Schmelzen, wenn es wärmer wird. Dieser Effekt, das "Überhitzen" von Eis, ließ sich jetzt erstmals in direkten Messungen nachweisen. Das dürfte helfen, den Schmelz- und Rekristallisationsprozess in der Natur besser zu verstehen, schreiben die Physiker und Biochemiker im Fachblatt "Proceedings of the National Academy of Science". Auch könne es die Lebensmittelindustrie unterstützen, die bei der Lagerhaltung stets gegen den Gefrierbrand kämpft. Ganz abgesehen davon, dass die Wirkung der Frostschutz-Proteine in beide Temperaturrichtungen schon an sich fasziniere.

"Wir haben den Doppel-Hammer: einen Effekt, der die Eiskristalle am Wachsen und gleichzeitig am Schmelzen hindert", so Peter Davies, Professor für Biochemie an der kanadischen Queen's University. "Diese Entdeckung hilft erklären, warum diese Proteine so gut darin sind, den Rekristallisationsprozess zu stoppen." Gemeinsam mit Physikern der Ohio University in den USA und des Weizmann Institute of Science in Israel hatte Davies' Team Eiskristalle in einer Lösung aus Frostschutz-Proteinen über Stunden hinweg bei rund plus 0,5 Grad Celsius stabil halten können. "Das ist höchst ungewöhnlich", erklärt der Forscher: "Ohne das Protein wäre das völlig unmöglich".

Die so genannten "Anti-Freeze-Proteine" (AFP) sind seit mehreren Jahrzehnten bekannt dafür, dass sie - in der Körperflüssigkeit eingelagert - Pflanzen und Tiere auch unter dem Gefrierpunkt vor dem Tod schützen. Im Experiment bestätigten nun die Forscher die zwanzig Jahre alte Theorie, dass von AFP umhülltes Eis beim Erwärmen tatsächlich auch später schmilzt. Sie erhöhten die Temperatur langsam über null Grad Celsius hinaus und erhielten so genanntes "überhitztes" oder "superheißes" Eis: Noch bei plus 0,44 Grad Celsius behielt es seine Kristallform. Danach begann ein rascher Schmelzprozess, und zwar jeweils an einem bestimmten Punkt der Eisoberfläche, schreibt das Team. In allen Fällen sei der Verzögerungseffekt beim Erwärmen weit kleiner als der beim Abkühlen. Doch eindeutig sei durch die Messungen, dass sich die AFP für ihre Wirkung auf der Eisoberfläche anlagern müssten.

In der Natur droht der Erfrierungstod zum einen, wenn die Flüssigkeit im Körper zu Eis erstarrt und keine Stoffwechselprozesse mehr möglich sind. Zum anderen droht Zellzerstörung, weil Wasser sich beim Gefrieren zunächst ausdehnt und Zellen und Gefäße zum Platzen bringen kann. Obendrein verletzen wachsende Eiskristalle das Gewebe. Dieser Effekt ist bei Lebensmitteln als Gefrierbrand bekannt, wenn sie durch schlechte Temperaturkontrolle wiederholt auftauen und wieder einfrieren. Durch Rekristallisation entstehen große Eiskristalle, die das Gewebe von Gemüse oder Fleisch beschädigen und graue Flächenschäden verursachen. Bei lebenden Tieren oder Pflanzen, deren Körpertemperatur um den und unter den Nullpunkt absinkt, können die AFP in der Körperflüssigkeit solche Schäden vermeiden helfen. Sie sind bei Bakterien und Fischen in arktischen Meeren bekannt, aber auch etwa von Käfern oder Gletscherflöhen.