Grzyb z ziemi, który zamienia wodę w lód w kilka sekund

Pospolity grzyb glebowy kryje białko działające jak naturalny przełącznik mrozu. Naukowcy sugerują, że może ono zmienić myślenie o zimnie.

To niewielki organizm z gleby, ale konsekwencje jego działania mogą sięgać meteorologii, medycyny i przemysłu spożywczego. Badacze opisali białko grzybowe, które sprawia, że woda zamarza niemal na komendę – przy temperaturze zaledwie lekko poniżej zera.

Grzyb, który uruchamia mróz przy –2 stopniach

Międzynarodowy zespół naukowców z Virginia Tech przyjrzał się grzybom z rodziny Mortierellaceae. To bardzo rozpowszechnione mikroorganizmy glebowe, obecne na różnych kontynentach. W ich genomie znaleziono gen odpowiedzialny za wytwarzanie niezwykłego białka.

To białko pełni funkcję tak zwanego jądra krystalizacji. Umożliwia cząsteczkom wody ułożenie się w uporządkowaną strukturę lodu już przy około –2°C. W normalnych warunkach czysta woda może pozostawać płynna znacznie poniżej 0°C, jeśli brakuje jej jakiejkolwiek powierzchni, od której mogłaby rozpocząć się krystalizacja. Ten stan nazywany jest przechłodzeniem.

Przeczytaj również: Te grzyby „zjadają” leki w ściekach. Naukowcy widzą szansę na czystsze pola

Białko z grzyba przerywa przechłodzenie i daje cząsteczkom wody idealną „scenkę startową” do stworzenia kryształków lodu.

Naukowcy podkreślają, że podobna zdolność była już znana u niektórych bakterii. Różnica w przypadku tego grzyba jest jednak zasadnicza. Białko:

• jest dobrze rozpuszczalne w wodzie,
• działa samodzielnie, bez konieczności obecności żywych komórek,
• łatwiej je oddzielić i wykorzystać poza laboratorium.

W przypadku bakterii, aby wywołać zamarzanie, zwykle trzeba używać całych komórek, co komplikuje zastosowania poza ściśle kontrolowanym środowiskiem. Grzybowe białko zachowuje swoją funkcję po wydzieleniu, co otwiera drogę do bardziej praktycznych zastosowań.

Przeczytaj również: Największy kryty targ pod Paryżem: ukryty gigant 15 minut od centrum

DNA grzyba z „pożyczką” od bakterii

Jak w ogóle doszło do tego, że grzyb zyskał taką umiejętność? Tu kluczową rolę odegrała analiza genetyczna. Zespół zidentyfikował w genomie Mortierellaceae gen, który nie pasuje do typowego obrazu genów grzybowych. Wszystko wskazuje na to, że pochodzi on z zupełnie innej grupy organizmów.

Naukowcy opisują ten proces jako poziomy transfer genów. Zamiast dziedziczyć gen wyłącznie od przodków, organizm „przejmuje” fragment DNA od innego gatunku – w tym przypadku prawdopodobnie od bakterii. Szacunki sugerują, że wydarzyło się to co najmniej kilkaset tysięcy, a może nawet kilka milionów lat temu.

Przeczytaj również: Steam rozdaje kultową przygodówkę za darmo. Masz tylko tydzień

Grzyb nie wypracował białka lodotwórczego od zera – raczej zaadaptował bakteryjne rozwiązanie do własnych potrzeb i zachował je, bo dawało mu przewagę.

Takie „wymiany genetyczne” między odległymi grupami organizmów są rzadkie, ale nie wyjątkowe. Grzyby znane są z dużej elastyczności genetycznej, co częściowo tłumaczy ich różnorodność i zdolność do zajmowania bardzo różnych nisz ekologicznych.

Od chmur deszczowych po zamrożone komórki

Białko z grzyba nie jest tylko ciekawostką. Badacze widzą dla niego kilka bardzo konkretnych zastosowań – jeśli uda się je tanio i masowo produkować.

Nowe podejście do „zasiewania” chmur

W meteorologii od lat stosuje się technikę zwalniania specjalnych substancji do chmur, żeby wywołać opady. Najczęściej używa się związków chemicznych, takich jak jodek srebra, które pomagają parze wodnej skondensować się i zamarznąć. Rozwiązanie budzi jednak wątpliwości środowiskowe i w wielu krajach wywołuje dyskusje.

Naturalne, biologiczne białko, które uruchamia proces zamarzania przy niewielkim mrozie, może stać się atrakcyjną alternatywą. Taka substancja:

• rozpuszcza się w wodzie,
• nie zawiera metali ciężkich,
• potencjalnie łatwiej ulega biodegradacji.

Badacze spekulują, że w przyszłości podobne białka mogłyby pojawić się w technologiach zarządzania opadami lub nawet w projektach inżynierii klimatycznej, choć tutaj pojawia się już szereg pytań etycznych i regulacyjnych.

Bezpieczniejsze mrożenie komórek i tkanek

Drugi kierunek to medycyna i biotechnologia. W kriokonserwacji komórek, tkanek czy zarodków największym problemem są zbyt duże kryształy lodu. Gdy woda zamarza późno, a temperatura mocno spada, tworzą się masywne struktury, które dosłownie rozrywają komórki od środka.

Jeśli zamarzanie zacznie się wcześniej i pod większą kontrolą, tworzą się mniejsze kryształki, które w mniejszym stopniu uszkadzają delikatne struktury biologiczne.

Grzybowe białko, uruchamiające proces zamarzania blisko 0°C, może pomóc w tworzeniu bardziej jednorodnego, drobnego lodu. To z kolei zwiększa szanse, że komórki po odmrożeniu zachowają pełną funkcjonalność. Taka zmiana byłaby istotna dla:

• banków komórek macierzystych,
• banków nasienia i komórek jajowych,
• przechowywania tkanek do przeszczepów,
• badań laboratoryjnych wymagających długotrwałego mrożenia materiału biologicznego.

Lepsza jakość mrożonek w przemyśle spożywczym

Znaczenie rozmiaru kryształków lodu dobrze znają też technolodzy żywności. W produktach mrożonych, takich jak lody, owoce, mięso czy pieczywo, właśnie od wielkości i rozmieszczenia kryształów zależy konsystencja po rozmrożeniu. Duże kryształy niszczą strukturę komórek, powodują wyciek soków i pogorszenie tekstury.

Dodatek białka lodotwórczego w kontrolowanych warunkach mógłby pomóc:

Na razie to scenariusze teoretyczne, bo do wdrożenia potrzeba stabilnej, taniej produkcji białka i dokładnego zbadania jego interakcji z żywnością.

Największa przeszkoda: produkcja na skalę przemysłową

Naukowcy dysponują już sekwencją genu i potrafią wytworzyć białko w laboratorium. Przejście z takiej skali do przemysłu zawsze bywa trudne. Trzeba:

• opracować odpowiedni organizm produkcyjny (np. bakterię lub grzyba przemysłowego),
• zbudować linię technologiczną, która zapewni powtarzalną jakość,
• sprawdzić stabilność białka w różnych warunkach przechowywania i transportu,
• przejść przez procesy rejestracji i oceny bezpieczeństwa.

Dopiero po spełnieniu tych warunków można myśleć o realnych zastosowaniach w meteorologii, medycynie czy branży spożywczej. Drogę wydłużą też procedury regulacyjne – szczególnie tam, gdzie chodzi o ingerencję w procesy atmosferyczne albo kontakt z ludzkimi komórkami.

Co właściwie robi białko lodotwórcze?

Dla wielu osób może być zaskoczeniem, że w przyrodzie funkcjonują cząsteczki „sterujące” lodem. W uproszczeniu takie białko ma na swojej powierzchni specyficzny układ atomów, do którego przyczepiają się cząsteczki wody. Układają się one w sposób zbliżony do naturalnej sieci krystalicznej lodu.

Kiedy kilka pierwszych cząsteczek usiądzie we właściwym miejscu, reszta wody zaczyna „dopasowywać się” do tej struktury. Powstaje zarodek kryształu, od którego rośnie cały lód. Bez takiego punktu startowego woda może trwać w stanie przechłodzonym nawet przy kilku stopniach mrozu, a przejście w lód następuje nagle i gwałtownie.

W naturze organizmy wykorzystują te mechanizmy do różnych celów. Niektóre bakterie na liściach roślin przyspieszają zamarzanie, co uszkadza tkanki i ułatwia im wnikanie. Inne stworzenia, jak ryby arktyczne, produkują białka działające odwrotnie – utrudniające tworzenie się kryształów, by chronić się przed zamarznięciem.

Grzyb z rodziny Mortierellaceae wpisuje się w ten obraz jako kolejny przykład, że procesy, które często przypisujemy wyłącznie fizyce, w rzeczywistości mocno zależą od żywych organizmów i ich biochemii.

Szanse, ryzyka i długofalowe konsekwencje

Jeśli uda się opanować tanią produkcję tego białka, na stole pojawi się szereg nowych możliwości. Można wyobrazić sobie sezonowe stosowanie go w rolnictwie, precyzyjne projektowanie mrożonek o lepszej jakości czy bardziej niezawodne banki materiału biologicznego. Każda z tych ścieżek niesie zarazem swoje pytania: o bezpieczeństwo, wpływ na ekosystemy czy o regulacje prawne.

W przypadku wykorzystania w chmurach najwięcej wątpliwości dotyczy ingerencji w obieg wody w przyrodzie. Nawet jeśli środek byłby nietoksyczny, zmiana miejsca i intensywności opadów może wpływać na rolnictwo, leśnictwo i zasoby wodne. Dyskusje wokół sztucznej regulacji pogody już dziś są bardzo ostre i biologiczne białko raczej ich nie zakończy, tylko przeniesie na nowy poziom.

Inaczej wygląda sytuacja w medycynie i przechowywaniu komórek. Tu kontrola laboratoryjna jest znacznie większa, a korzyści z bardziej przewidywalnego mrożenia są łatwe do wskazania. Potencjalne zastosowania obejmują zarówno szpitale, jak i banki tkanek, a także firmy biotechnologiczne, które przechowują ogromne zbiory komórek do badań i terapii.

Historia tego jednego grzyba pokazuje przy okazji, jak bardzo natura wciąż zaskakuje inżynierskimi rozwiązaniami. Z pozoru zwyczajny organizm z gleby nosi w sobie narzędzie, którego skutki mogą wykraczać daleko poza las czy pole uprawne – od struktury chmur po jakość lodów w domowej zamrażarce.