IJsbindend eiwit: hoe de natuur bevriezing tegenhoudt
Stel je een vis voor die in ijskoud zeewater zwemt, op plekken waar de temperatuur soms net onder het vriespunt van gewoon water zakt. Toch bevriest die vis niet van binnen. Het geheim zit in een klein molecuul dat wetenschappers een ijsbindend eiwit noemen: een eiwit dat zich vastklampt aan de allereerste, piepkleine ijskristalletjes die in het lichaam ontstaan en ze simpelweg verhindert om verder te groeien.
Je kunt het vergelijken met duizenden minuscule handjes die zich vastgrijpen aan de rand van een groeiend sneeuwvlokje en zeggen: tot hier en niet verder. Zonder die eiwitten zouden scherpe ijskristallen de celwanden van de vis kapotprikken, met de dood tot gevolg. Met de eiwitten blijft het ijs microscopisch klein, of het smelt gewoon weer weg. Dit natuurlijke trucje, ontstaan door evolutie in extreem koude omgevingen, blijkt inmiddels ook interessant voor menselijke toepassingen: van romiger ijs tot het langer bewaren van donororganen.
Wat is het precies?
Een ijsbindend eiwit (in het Engels: ice-binding protein of IBP) is een eiwit dat een specifieke vorm heeft waarmee het zich hecht aan het oppervlak van een ijskristal, net op de plekken waar watermoleculen zich normaal gesproken netjes in het kristalrooster zouden voegen. Door die plekken te bezetten, kan het kristal daar niet verder groeien.
Dit heet het adsorptie-inhibitiemodel. Tussen de plekken waar de eiwitten vastzitten, moet het ijsfront zich krommen om toch nog te kunnen groeien. Hoe kleiner de kromming, hoe meer energie dat kost — een natuurkundig gegeven dat bekendstaat als het Gibbs-Thomson-effect. Het resultaat is dat er extra afkoeling nodig is voordat het ijs alsnog explosief kan doorgroeien. Dit verschil tussen het punt waarop het ijs smelt en het (veel lagere) punt waarop het ondanks de eiwitten toch verder gaat groeien, noemen onderzoekers thermische hysterese.
Dit is fundamenteel anders dan hoe bijvoorbeeld zout of ruitensproeiervloeistof (glycol) werkt. Die stoffen verlagen het vriespunt van water gewoon door de concentratie watermoleculen te verdunnen — een simpel, evenredig effect. IJsbindende eiwitten werken juist via hun vorm en doen dat al in piepkleine hoeveelheden, veel effectiever dan je op basis van hun concentratie zou verwachten.
Er bestaan verschillende families van deze eiwitten. Bij vissen onderscheiden onderzoekers bijvoorbeeld type I tot en met IV, met elk een andere bouw, en daarnaast bestaan er antivries-glycoproteïnen (AFGP's), een apart soort suikereiwit. Insecten zoals bepaalde kevers en rupsen blijken vaak nóg krachtiger eiwitten te hebben dan vissen, met een hogere thermische hysterese. Daarnaast is er een verwant, maar apart effect: sommige ijsbindende eiwitten remmen niet het ontstaan van ijs, maar vertragen het proces waarbij kleine ijskristalletjes tijdens bewaring samensmelten tot grote, schadelijke kristallen. Dat heet ice recrystallization inhibition (IRI) en is vooral belangrijk voor de voedingsindustrie.
Wat wil men ermee bereiken?
De onderliggende belofte is steeds hetzelfde: schade door ijskristallen voorkomen of beperken. Grote, scherpe ijskristallen zijn namelijk de vijand van veel levende weefsels en van voedingsmiddelen. Ze doorboren celmembranen, verstoren de structuur van weefsel en maken voedsel korrelig of waterig na ontdooien.
In de voedingsindustrie wil men met ijsbindende eiwitten de vorming van grove ijskristallen in bijvoorbeeld roomijs tegengaan, zodat het product ook na langere opslag of temperatuurschommelingen romig blijft in plaats van korrelig te worden.
In de medische wereld ligt de belofte bij cryopreservatie: het invriezen van cellen, weefsels en in de toekomst mogelijk complete organen voor transplantatie, zonder dat de ijskristallen die tijdens het invries- en ontdooiproces ontstaan, het weefsel onherstelbaar beschadigen. Dat zou wachtlijsten voor transplantaties kunnen verlichten en vruchtbaarheidsbehandelingen kunnen verbeteren.
In de landbouw hoopt men gewassen te beschermen tegen nachtvorst, wat vooral voor fruitteelt en gevoelige gewassen economisch belangrijk is. En opvallend genoeg wordt het tegenovergestelde effect ook onderzocht: in de cryochirurgie wil men soms juist méér en scherper ijs laten groeien, gericht in tumorweefsel, om kankercellen doelbewust te vernietigen.
Voorbeelden uit de praktijk
De ontdekking van ijsbindende eiwitten gaat terug tot onderzoek van de Amerikaanse bioloog Arthur DeVries, die eind jaren zestig aantoonde dat Antarctische notothenioid-vissen dankzij speciale glycoproteïnen in hun bloed kunnen overleven in ijskoud zeewater. Dit wordt algemeen gezien als het startpunt van het onderzoeksveld.
De Canadese onderzoeker Peter Davies (Queen's University) heeft decennialang bijgedragen aan het ophelderen van de structuur en werking van diverse typen antivrieseiwitten, bij vissen én insecten, en geldt als een van de meest aangehaalde namen in dit vakgebied.
Unilever heeft een zogenoemd Ice Structuring Protein (ISP) ontwikkeld, gebaseerd op een eiwit dat oorspronkelijk is aangetroffen bij een vissoort die bekendstaat als de 'ocean pout'. Het eiwit wordt niet uit vis gewonnen, maar recombinant geproduceerd door gist, en werd in sommige ijsproducten in de Verenigde Staten toegevoegd om de textuur te verbeteren. In het Verenigd Koninkrijk leidde de toepassing destijds tot ophef in de media, onder meer door verwarring over de herkomst van het eiwit, wat laat zien hoe gevoelig consumenten kunnen reageren op dit soort 'onzichtbare' biotechnologie in voedsel.
Aan de University of Warwick in het Verenigd Koninkrijk doet de groep van Matthew Gibson onderzoek naar goedkopere, synthetische alternatieven voor natuurlijke ijsbindende eiwitten, zoals bepaalde polymeren die het ijsherkristallisatie-effect nabootsen. Dit werk heeft geleid tot pogingen om deze kennis commercieel toe te passen in celcryopreservatie.
Daarnaast lopen er al jaren onderzoeksprojecten waarbij planten, zoals tabak of tomaat, genetisch worden aangepast met antivriesgenen uit vis of insecten, in de hoop vorstbestendige gewassen te ontwikkelen. Dit blijft tot dusver overwegend experimenteel laboratoriumwerk.
Hoe ver is de techniek?
Het ontwikkelniveau verschilt sterk per toepassingsgebied. In de voedingsindustrie is de techniek het verst gevorderd: het gebruik van recombinant geproduceerde ijsstructurerende eiwitten in bepaalde ijsproducten is al zo'n twintig jaar een gereguleerde, commerciële toepassing, al blijft de marktomvang beperkt en is de acceptatie per land wisselend.
In de medische cryopreservatie is het beeld genuanceerder. Op celniveau — bijvoorbeeld het invriezen van eicellen, spermacellen of kleine weefselmonsters — worden ijsbindende eiwitten en synthetische varianten al onderzocht en soms toegepast in laboratoriumcontext, met bemoedigende resultaten. Het betrouwbaar invriezen en weer ontdooien van complete, functionerende organen voor transplantatie is echter nog geen klinische realiteit; dat blijft vooralsnog onderzoek in een vroeg tot middenstadium.
Landbouwtoepassingen stuiten vooral op praktische en regelgevende hindernissen: genetisch gemodificeerde vorstbestendige gewassen zijn in veel landen onderworpen aan strenge regelgeving, en spuitbare eiwitpreparaten zijn tot dusver kostbaar in productie.
Een belangrijke ontwikkeling van de afgelopen jaren is de opkomst van goedkopere, synthetische moleculen die het effect van natuurlijke eiwitten benaderen, zonder de kosten en complexiteit van biologische productie. Deze zijn vaak nog minder krachtig dan de natuurlijke eiwitten, maar worden steeds verder verbeterd.
Wie werken eraan?
Het onderzoeksveld is internationaal, met een duidelijk zwaartepunt in landen met koude klimaten of sterke polaire onderzoekstradities. In Canada is Queen's University een belangrijk centrum, mede dankzij het werk van Peter Davies. In de Verenigde Staten heeft het onderzoek van Arthur DeVries aan de University of Illinois de basis gelegd voor het vakgebied. In het Verenigd Koninkrijk is de University of Warwick actief op het gebied van synthetische ijsbindende moleculen voor medische toepassingen.
Ook in Japan wordt onderzoek gedaan naar koude-adaptatie en ijsbindende eiwitten, onder meer aan universiteiten met een focus op koude-biologie, gezien de relevantie voor de Japanse voedingsindustrie en poolonderzoek. In Nederland houden diverse universitaire onderzoeksgroepen zich bezig met eiwitstructuur en biomoleculaire kristallisatie, vakgebieden die raken aan dit thema, al is Nederland niet het internationale zwaartepunt van AFP-onderzoek.
Op commercieel vlak is Unilever de bekendste partij die ijsbindende eiwitten daadwerkelijk in een massaproduct heeft toegepast. Daarnaast zijn er kleinere, gespecialiseerde spin-offbedrijven vanuit universiteiten die zich richten op cryopreservatietechnologie voor de medische en biotechnologische markt.