Three-dimensional simulation of ice growth in the presence of antifreeze proteins

摘要

A Monte Carlo computational method for simulating the growth of entire ice crystals from the liquid phase has been developed specifically to study the inhibition of ice-crystal growth by antifreeze proteins (AFPs). AFPs are found in the fluids of certain organisms that inhabit freezing environments and constrain ice-crystal growth by adsorbtion to the ice surface, but their inhibition mechanism is still poorly understood. Thus, it was of interest to incorporate these molecules into the dynamic ice simulations to examine the inhibition phenomenon on a whole-crystal basis. We have undertaken simulations with AFPs from two different organisms that differ in activity; the insect AFP has up to 100 times the activity of the fish AFP on a molar basis. Simulations involving insect and fish AFPs have achieved ice-growth inhibition at simulation temperatures within reported activity ranges for both fish and insect AFPs, accompanied by resulting ice morphologies similar to those observed experimentally. These results, as well as other studies on ice-etching patterns and ice burst growth at temperatures below known AFP ice-growth inhibition abilities suggest that AFP activity is dominated by the AFP ice-binding position rather than AFP ice-binding strength. PACS No.: 07.05TDans le cadre de la méthode Monte-Carlo nous simulons la croissance de cristaux entiers de glace à partir de la phase liquide, afin d'étudier l'inhibition de la croissance de cristaux de glace par des protéines d'antigel (AFP). On retrouve des AFP dans le fluide de certains organismes qui habitent ces environnements de gel qui contraignent la croissance des cristaux de glace par adsorption à la surface de la glace, mais le mécanisme d'inhibition est mal connu. Il était donc intéressant d'incorporer ces molécules dans la simulation dynamique de la glace, de façon à examiner le phénomène d'inhibition sur un cristal complet. Nous avons entrepris des simulations avec des AFP de deux types d'organismes différents qui diffèrent en activité : sur une base molaire, les AFP des insectes sont 100 fois plus actifs que ceux des poissons. Nos simulations impliquant des AFP d'insectes et de poissons ont réussi à reproduire les inhibitions aux températures étudiées à l'intérieur des domaines d'activité pour les AFP des insectes et des poissons, ainsi que des morphologies de glace similaires à celles observées expérimentalement. Ces résultats, avec d'autres études portant sur les patrons de décapage de la glace et sur des croissances explosives à des températures sous les températures d'inhibition par AFP, suggèrent que l'activité des AFP est dominée par la position du lien AFP-glace plutôt que par la force de ce lien. [Traduit par la rédaction]