Contrairement à ce que l’on ait pu apprendre, l’eau ne gèle pas toujours à une température de 0 °C. Il est essentiel, pour le bon déroulement de certaines activités de notre vie et de certains phénomènes de notre environnement climatique, de connaître ou de contrôler à quelle température l’eau peut geler.
À travers un processus appelé nucléation, nous pouvons désormais répondre à des questions telles que celle de savoir s’il y aura suffisamment de neige sur les pistes de ski ou s’il pleuvra le lendemain ou pas. Mieux encore, nous pourrons faire face au changement climatique, l’enjeu se trouvant dans la nécessité de maîtriser le processus de gel et de dégel suivant nos besoins, et toute la solution a été trouvée dans notre environnement biologique…
C’est dans une étude surprenante, publiée dans le Journal de l’American Chemical Society de l’Université d’État de l’Utah, que la Professeure Valeria Molinero et ses collègues ont démontré comment les protéines essentielles — produites par les bactéries et les insectes — peuvent aider à la formation de la glace ou au contraire à son inhibition, en fonction de leur taille et de leur capacité à s’associer en agrégations pour former de grandes surfaces liant l’eau à son état solide.
En effet, les insectes, les poissons et les plantes produisent différentes formes de protéines dites « antigel » pour s’aider à survivre dans des conditions de gel. De même que les agents pathogènes des plantes, en particulier la bactérie « Pseudomonas syringae », qui utilisent des protéines qui favorisent la formation de glace comme mécanisme de défense.
Il est utile de rappeler que l’eau pure ne gèle pas avant d’avoir atteint les -35 degrés Celsius, température à laquelle les molécules d’eau s’organisent spontanément en un agrégat cristallin et commencent à s’attirer d’autres molécules.
En revanche, pour démarrer le processus de congélation à des températures plus chaudes, les molécules d’eau doivent absolument avoir un appui (de quoi s’accrocher) comme un grain de poussière, de la suie ou autres impuretés.
Les protéines énucléant la glace telle Ps. syringae se lient aux cristallites de glace naissantes de manière à réduire le coût énergétique de la congélation supplémentaire. Elles peuvent également s’agréger pour renforcer leur pouvoir de nucléation.
« C’est un grand travail de groupe ! », explique Molinero. Ces protéines peuvent être si efficaces qu’elles peuvent former de la glace à des températures pouvant atteindre -2 °C.
Ces découvertes étonnantes ont permis d’utiliser ces protéines dans les stations de ski et le Ps. syringae est ajouté aux adjuvants versés dans les machines à fabriquer la neige comme agent catalyseur.
Par ailleurs, il existe des protéines antigel qui se lient aussi à la glace tout en la forçant à développer une surface incurvée ne permettant pas toute congélation supplémentaire et nécessitant des températures beaucoup plus froides pour que la glace s’y forme.
La solution au problème d’utilisation de ces protéines comme élément d’antigel ou de nucléation de la glace a été apportée par cette équipe de chercheurs par la modification de la taille des protéines, selon le besoin, ainsi que la modification de leur capacité à s’associer pour former de plus grandes surfaces de liaison de la glace.
« Nous pouvons maintenant concevoir de nouvelles protéines ou des matériaux synthétiques qui énucléent la glace à une température donnée. », précise Valeria.
En outre, il a été démontré qu’à de hautes altitudes, donc là où il fait plus froid, la suie et la poussière peuvent déclencher la nucléation. Mais à basse altitude, ce n’est pas la poussière qui déclenche la nucléation, ce sont les bactéries.
Dans un climat qui se réchauffe, les conclusions de V. Molinero peuvent aider les modélisateurs du climat à mieux comprendre les conditions de formation des nuages et de précipitations et à prévoir l’incidence de ce réchauffement sur la formation de la glace et les précipitations futures.
Comme on peut l’imaginer aisément, les conséquences d’une telle découverte s’étendent jusqu’au devenir de nos ressources en eau sur Terre…
