US-Wissenschaftler haben ein außergewöhnliches Frostschutzmittel in einem Käfer entdeckt, der Temperaturen von bis zu minus 60 Grad Celsius überlebt: Upis ceramboides krabbelt durch Alaska und schützt sich durch ein großes Molekül aus dem Vielfachzucker Xylomannan vor dem Erfrieren. Er benutzt damit eines der wenigen Frostschutzmittel im Tierreich, das nicht auf einer Proteinstruktur basiert. Konventionelle künstliche Antifrost-Mittel bestehen meist aus kleinen Molekülen, die in hohen Konzentrationen den Gefrierpunkt senken. Bei großen Molekülen wie denen des neuentdeckten Käfermittels genügen dagegen geringe Mengen: Sie binden sich einfach in die Eiskristallgitter ein und verhindern so deren für Zellen gefährliches Wachstum. Den Käferfrostschutz stellen die Wissenschaftler um Kent Walters von der University of Notre Dame im US-Bundesstaat Indiana vor.
Das Xylomannan bremst in dem schwarzen Alaska-Käfer nicht nur das Anwachsen von Eiskristallen, die durch ihre Ausdehnung zum Absterben von Körperzellen führen. Der Vielfachzucker hält auch durch Wechselwirkungen mit der Zellmembran Eis vom flüssigen Wasser in den Zellen fern. Sein Fortschutzeffekt entspricht dabei dem wirkungsstärksten Antigefrier-Protein, das bisher in Insekten gefunden worden ist.
Antifrost-Eiweißmoleküle wurden vor rund 60 Jahren zuerst im Blut von Fischen in der Antarktis entdeckt, weitere Organismen wie Pflanzen, Insekten und andere Gliederfüßler mit Frosttoleranz und -vermeidung folgten. Allerdings fehlt nach Ansicht des Autorenteams um Kent Walters bei den meisten Proteinen die genaue Analyse der chemischen Zusammensetzung: Bei Insekten zum Beispiel sind zwar über 50 Arten mit Gefrierschutz bekannt, doch nur für fünf der eisstrukturierenden Proteine wurde die Molekülstruktur präzise beschrieben. Beispielsweise sei für den braunen Steinläufer-Hundertfüßer (Lithobius fortificatus) zwar belegt, dass ein Antigefrier-Protein das Überleben seiner Zellen bei Frost absichert, der eigentliche Mechanismus bleibe jedoch unklar. Für Xylomannan haben die Wissenschaftler dagegen die genaue chemische Zusammensetzung und Struktur aufgeklärt und damit nach eigener Einschätzung eine neue Klasse von natürlichen Forstschutzmitteln ohne Proteine entdeckt.
Kent R. Walters (University of Notre Dame, Notre Dame) et al.: PNAS, Vol. 106, S. 20210 ddp/wissenschaft.de ? Rochus Rademacher
