В самых суровых регионах планеты — Арктике и Антарктике — внимание исследователей сосредоточено не только на климате, но и на технологиях, способных обеспечить устойчивость и безопасность в условиях экстремального холода. Недавно ученые из Лаборатория прикладной физики Института Джона Хопкинса в Лореле, штат Мэриленд, в рамках программы DARPA ICE (Ice Control for Cold Environments) создали библиотеки «холодоустойчивых» белков и иных сложных молекул, которые позволяют управлять процессами образования и роста кристаллов льда.
Их цель — дать боевым подразделениям и гражданским специалистам критическое преимущество в условиях экстремального холода. Работы контролируются и финансируются Военным министерством США (англ. Department of War).
Проект под названием BOREAS (Bio-Optimized Regulation of Environmental Ice for Arctic Supremacy) сочетает природные стратегии адаптации к холоду с современными методами биоинженерии. Исследователи фокусируются на двух типах белков:
- Ледообразующие белки (ice-nucleating), ускоряющие образование кристаллов льда;
- Антифризные белки (antifreeze), препятствующие росту льда.
Идея сочетания обоих — получить материалы, контролирующие процессы замерзания так, чтобы создавать более прочные, устойчивые структуры льда или, наоборот, препятствовать его образованию в критических точках, например на внешних и внутренних поверхностях техники и приборов.
Новые материалы и технологии для арктических холодов
Для отбора эффективных белков использовался машинный анализ десятков тысяч потенциальных последовательностей, что позволило создать библиотеку из более чем 11 000 уникальных пар молекул. Новые высокопроизводительные лабораторные методы, включая микрофлюидику и высокоскоростные анализы активности, позволяют быстро выявлять те комбинации, которые действительно изменяют поведение воды при низких температурах.
Один из ключевых подходов — использование стандартизированных микропланшетов, которые позволяют обработать 384 образца менее чем за час. Команда также разрабатывает передовой метод механического анализа, который позволяет проверять энергию адгезии сотен образцов в час — поразительная скорость, учитывая, что традиционные тесты на адгезию могут занимать 5–10 минут на один образец.
Однако по-настоящему революционным стало использование командой капельной микрофлюидики. В рамках этого метода отдельные клетки или молекулы помещаются в крошечные капли, а затем подвергаются воздействию низких температур. Это позволяет команде за короткий промежуток времени изучить влияние на лед тысяч отдельных молекул.
При конструировании биомолекул ученые используют (естественно, на профессиональном уровне) те же методические принципы, на которых построена научно-популярная игра FOLD IT — про нее мы рассказывали здесь.
Практические применения таких разработок разнообразны. Они позволят:
- Создать строительные материалы с повышенной прочностью на мороз;
- Снизить риск обледенение плоскостей воздушных судов и инженерных сооружений;
- Оптимально криоконсервировать лекарственные препараты, кровь и биологические материалы;
- Повысить устойчивость техники и конструкций в зонах вечной мерзлоты;
- Защитить людей и животных от обморожений и переохлаждения.
Адаптированные к холоду организмы, например, полярные рыбы и беспозвоночные, используют естественные антифризные белки, чтобы предотвратить замерзание крови при отрицательных температурах. В арктических биологических экосистемах многие виды примитивных организмов также синтезируют пептидные соединения, которые обеспечивают выживание при постоянном воздействии холода.
Ученые используют машинное обучение не только для отбора белков, но и для построения моделей антифризных белков, что помогает предсказывать их эффективность.
Недавно ученые сделали неожиданное открытие в «горячей точке Арктики». Рассказываем, что они узнали и откуда в Арктике горячие точки.
