Proteini, ki preprečujejo zmrzovanje, ali kot je primernejši izraz proteini, ki vplivajo na zgradbo ledu (ang. ice structuring proteins, ISP), so proteini, ki jih proizvajajo različni vretenčarji, rastline, glive in bakterije in ki jim omogočajo preživetje v okolju s temperaturami pod lediščem. Vežejo se na majhne ledene kristale ter preprečujejo njihovo rast in s tem poškodbe celic, ki bi bile drugače usodne za organizem.

Odkrili so jih v krvi antarktičnih ledenih rib, nato pa še pri rastlinah in drugih organizmih. Ledene ribe spadajo v družino Channichthyidae in živijo v vodi, ki ima poleti temperaturo 1,5 stopinje, pozimi pa minus 1,8 stopinje Celzija. Zimska temperatura je dovolj nizka, da bi ribe zmrznile (ledišče ribje krvi je pri minus 0,9 stopinje Celzija).

Te ribe so edini vretenčarji, ki nimajo rdečih krvničk in ne hemoglobina – z železom bogate molekule, ki veže kisik in ga prenaša po krvi. Imajo brezbarvno kri, kisik absorbirajo prek tanke kože in škrg. Njihova kri lahko prenaša samo 10 odstotkov kisika, ki ga nosi kri živali s hemoglobinom, zato so razvile tudi druge prilagoditve – večje in hitreje črpajoče srce, bolje ožiljena tkiva in debelejše kapilare.

Ribe so se prilagodile
Znanstveniki so sprva menili, da je vse našteto posledica prilagoditve na ekstremno okolje, v katerem živijo. Zadnje čase pa postaja jasno, da je izguba eritrocitov v resnici posledica genetske napake, zaradi posebnih življenjskih razmer (hladna vertikalno dobro premešana voda, nasičena s kisikom, majhna tekmovalnost za hrano) pa se je ribam uspelo prilagoditi in preživeti. Pri tem so tako uspešne, da v Južnem oceanu predstavljajo 35 odstotkov vrst in 90 odstotkov biomase.

Velika raznolikost in razširjenost proteinov ISP kaže, da so se verjetno razvili ne tako davno v evoluciji (ne izhajajo iz skupnega prednika, ki bi se razvil zelo daleč v preteklosti). Razvoj podobnih lastnosti po različnih poteh imenujemo konvergentna evolucija. Verjetno so nastale kot odziv na poledenitev na severni polobli pred 1-2 milijoni let in 10-30 milijoni let na Antarktiki.

Kako delujejo?
Proteini proti zmrzovanju so prisotni v ribji krvi, imajo specifično zgradbo in vplivajo na vodne molekule v svoji bližini ter z adsorpcijo-inhibicijo preprečujejo rast ledenih kristalov. Adsorbirajo se na površino ledu in tvorijo plast, ki preprečuje termodinamsko ugodno rast kristalov. Prvotne hipoteze, da se vežejo preko vodikovih vezi, novejše raziskave niso potrdile. Danes velja, da so ključnega pomena hidrofobne interakcije ter van der Waalsove sile. Pri ribah imajo še verjetno nezaželen stranski učinek. Na protein vezani ledeni kristalčki se topijo pri višjih temperaturah kot bi se normalno, zato znanstvenikom še ni uspelo ugotoviti, kako, če sploh, ribe odstranijo led v svoji krvi. Proteini, ki preprečujejo zmrzovanje pri žuželkah, so precej učinkovitejši kot pri ribah. Razlog za to je v tem, da se morje ohladi največ do minus 2 stopinji Celzija, medtem ko se nekatere žuželke srečujejo tudi s temperaturami okoli minus 30 ali celo minus 60 stopinj Celzija.

V nasprotju z dobro poznanim sredstvom, ki preprečuje zamrzovanje vode in se uporablja npr. v vodi za čiščenje avtomobilskih stekel, etilen glikomom, proteini ISP ne znižujejo ledišča vode v odvisnosti od koncentracije. Učinkoviti so pri zelo nizkih koncentracijah, ki so lahko več stokrat manjše od etilen glikola.

Uporaba protizmrzovalnih proteinov
Obstaja veliko možnosti za uporabo protizmrzovalnih proteinov, predvsem v prehrambni industriji in medicini. Strokovnjaki že proučujejo njihovo uporabo pri podaljšanju roka uporabnosti zamrznjenih živil, izboljšanju gojenja rib v hladnejših območjih, izboljšanju učinkov kriokirurgije, predvsem pri odstranjevanju tumorjev in pri izboljšanju ohranjenosti tkiv za transplantacijo. Zanimivi so tudi v kmetijstvu, v katerem se uporabljajo za povečanje odpornosti rastlin iz hladnejših območij na zmrzal. Z genskim inženiringom se v rastlino vstavi gen za tak protein in rastlina tako pridobi odpornost.

Glede na raziskave protizmrzovalni proteini, zaužiti s hrano, ne izzovejo toksičnih učinkov ali alergičnih reakcij. Ena izmed uspešnih poslovnih zgodb s tega področja je uvedba proteinov ISP v nizkomaščobni sladoled, zato da dosežejo zaželeno kremasto strukturo kljub manjši vsebnosti maščobe. Gen za protein so izolirali iz rib, vstavili v kvasovke, ki nato protein proizvajajo (podobno se proizvaja inzulin za zdravljenje sladkorne bolezni).
Na ugovore različnih organizacij, da ti proteini in genetsko spremenjeni organizmi lahko povzročajo vnetja ali alergijske reakcije, odgovarjajo, da prebivalci določenih regij z normalno prehrano pojedo veliko teh snovi in nimajo nobenih težav, zato lahko ugotovimo, da so varni.

dr. Mojca Jež, univ. dipl. biotehnologinja