Zwykły grzyb z gleby zaskoczył naukowców: białko błyskawicznie zamraża wodę

Niepozorny grzyb z ziemi może mieć w sobie białko, które zmienia wodę w lód niemal na zawołanie.

Brzmi jak science fiction, ale to już realne badania.

Naukowcy z USA i ich współpracownicy opisali nową, zadziwiającą cząsteczkę: białko produkowane przez powszechnie występujący grzyb glebowy. Ta substancja potrafi uruchomić tworzenie lodu w temperaturach lekko poniżej zera, w warunkach, w których czysta woda zwykle wciąż pozostaje płynna.

Grzybowe białko, które „kazuje” wodzie zamarznąć

Zespół badaczy kierowany przez Borisa Vinatzera i Xiaofenga Wanga z Virginia Tech zajął się grzybami z rodziny Mortierellaceae. To bardzo rozpowszechnione organizmy glebowe, obecne na niemal wszystkich kontynentach. Podczas analizy ich genomu udało się wskazać gen odpowiadający za białko, które działa jak wyjątkowo skuteczny starter zamarzania.

Na czym polega jego niezwykłość? Zwykła, bardzo czysta woda może pozostać cieczą nawet przy kilku stopniach poniżej zera, jeśli nic nie „podsunie” jej wzoru do utworzenia kryształów lodu. Fizykę tego zjawiska znamy od lat – nazywa się to przechłodzeniem. Tu na scenę wchodzi białko grzybowe.

Białko z grzyba tworzy dla cząsteczek wody idealną powierzchnię, na której zaczynają się one układać w kryształ lodu już około –2°C, zamiast czekać na głębszy mróz.

Białko działa jak jądro krystalizacji: przyciąga i porządkuje cząsteczki wody tak, by mogły rozpocząć proces zamarzania. Dzięki temu lód pojawia się wcześniej, a tworzące się kryształy są liczniejsze i z reguły mniejsze.

Nie tylko bakterie: nowy zawodnik w „drużynie lodu”

Tego typu zdolności nie są całkowicie nowe w biologii. Od lat wiadomo, że niektóre bakterie – np. Pseudomonas syringae – mają na swojej powierzchni białka sprzyjające tworzeniu lodu i są wykorzystywane w badaniach nad zasiewaniem chmur. Tu jednak pojawia się istotna różnica.

Białka bakteryjne potrzebują całej, żywej komórki, by w pełni działać. Trzeba więc utrzymać mikroorganizmy przy życiu, kontrolować ich liczebność i zachowanie. Białko z grzyba zachowuje się inaczej.

Nowa cząsteczka jest rozpuszczalna w wodzie i działa „solo” – bez żywej komórki. W praktyce to ogromne ułatwienie dla zastosowań poza laboratorium.

Rozpuszczalność oznacza, że białko można teoretycznie dodać do roztworu, przechowywać w fiolce, wstrzyknąć do układu chłodzącego albo wykorzystać w postaci spreju. Nie trzeba przy tym wprowadzać całych mikroorganizmów do środowiska czy do produktu żywnościowego. To jedna z cech, które najbardziej elektryzują badaczy – otwiera to pole do zastosowań od meteorologii po medycynę.

Gen od bakterii: historia przekopiowana z innego gatunku

Kolejna intrygująca część historii rozgrywa się na poziomie DNA. Analiza genetyczna pokazała, że gen kodujący białko lodotwórcze nie wygląda jak typowy fragment genomu grzybowego. Bardziej przypomina sekwencję bakteryjną, co wskazuje na tzw. poziomy transfer genów.

To proces, w którym organizm „pożycza” fragment obcego DNA z zupełnie innego gatunku, a nawet innego królestwa organizmów. Zwykle geny dziedziczymy pionowo – od przodków. Poziomy transfer jest jak skrót: nagłe dołączenie gotowego modułu biologicznego, który zaczyna działać w nowym gospodarzu.

Według analizy zespołu badawczego grzyb przyjął gen od bakterii prawdopodobnie setki tysięcy, a może miliony lat temu – i od tego czasu z powodzeniem go wykorzystuje.

To, że gen się utrzymał, sugeruje wyraźną przewagę ewolucyjną. Grzyb w jakiś sposób korzysta z łatwego „włączania” zamarzania w swoim otoczeniu. Być może pozwala mu to na lepsze gospodarowanie wodą w glebie, ochronę przed innymi mikroorganizmami albo współpracę z roślinami. Tego naukowcy jeszcze nie wiedzą, ale sam fakt pokazuje, że grzyby potrafią bardzo elastycznie korzystać z genetycznych narzędzi napływających z zewnątrz.

Od chmur po zamrażarkę: gdzie można użyć takiego białka

Najbardziej medialnie brzmi perspektywa wykorzystania grzybowego białka w meteorologii. Zasiewanie chmur, czyli sztuczne wywoływanie opadów, dziś zwykle opiera się na związkach takich jak jodek srebra. Te substancje budzą obawy ekologów, ponieważ mogą akumulować się w środowisku.

Biologiczne białko rozpuszczalne w wodzie jawi się jako znacznie łagodniejsza alternatywa. W teorii można by je rozpylaczami wprowadzać do chmur, uruchamiając tworzenie lodu i deszczu lub śniegu w bardziej kontrolowany sposób, przy mniejszym obciążeniu dla ekosystemów.

Nowe narzędzie dla kriomedycyny

Druga dziedzina, która szczególnie interesuje badaczy, to krioprezerwacja – przechowywanie komórek, tkanek czy zarodków w niskich temperaturach. Największy problem stanowią tu kryształy lodu. Gdy woda w otoczeniu komórki zamarza późno, przy silnym schłodzeniu, tworzą się duże igły lodowe, które mogą dosłownie rozrywać delikatne struktury.

Jeśli zamarzanie zaczyna się szybciej i przebiega bardziej równomiernie, powstają drobne kryształy. Są mniej inwazyjne, a komórki mają większą szansę na przeżycie po rozmrożeniu.

Białko z grzyba mogłoby więc trafić np. do roztworów używanych w bankach nasienia, przy przechowywaniu zarodków in vitro czy w medycynie transplantacyjnej. Mniejsze uszkodzenia oznaczają lepszą jakość materiału biologicznego, dłuższy czas bezpiecznego przechowywania i mniejsze straty cennych próbek.

Przemysł spożywczy i jakość mrożonek

Bardzo przyziemne, ale wcale nie błahe zastosowanie dotyczy żywności. Każdy, kto jadł wodniste lody z dużymi kryształami lub „rozciapane” mrożone owoce, zna problem słabej kontroli nad zamarzaniem. Wielkość kryształów lodu ma bezpośredni wpływ na teksturę produktu.

• duże kryształy – uczucie „lodu w lodzie”, gorsza struktura mięsa i owoców, wyciek soków po rozmrożeniu;
• małe kryształy – gładsza konsystencja deserów, lepsza soczystość produktów po odmrożeniu;
• nierównomierne zamarzanie – strefy przesuszenia, rozrywające się tkanki, utrata walorów smakowych.

Jeśli przemysł spożywczy mógłby dodać do produktów niewielką ilość białka, które ustawia proces zamarzania w odpowiednim momencie i tempie, mrożonki mogłyby po rozmrożeniu wyglądać i smakować znacznie lepiej.

Największa przeszkoda: masowa produkcja białka

Choć perspektywy kuszą, badacze nie ukrywają, że przed praktycznym wykorzystaniem stoi poważna bariera. Białko trzeba wytwarzać w dużych ilościach, czyste, stabilne i w rozsądnej cenie. Sam fakt, że naturalnie produkuje je grzyb z gleby, nie oznacza, że wystarczy „zebrać” je z przyrody.

Najbardziej oczywista droga to wykorzystanie inżynierii genetycznej: przeniesienie genu do hodowanych w bioreaktorach mikroorganizmów, np. drożdży albo bakterii, które szybko rosną i można nimi łatwo sterować. Taki proces wymaga jednak dokładnego poznania struktury białka, sposobu jego fałdowania i stabilności.

Dopiero po przejściu tych etapów można myśleć o testach środowiskowych, badaniach toksykologicznych i dopuszczeniu do kontaktu z żywnością czy komórkami ludzkimi. Na razie białko pozostaje przede wszystkim fascynującym modelem badawczym, który pokazuje, jak sprytnie natura steruje tak fundamentalnym procesem jak zamarzanie.

Dlaczego w ogóle natura „bawi się” lodem

Dla wielu organizmów zdolność do kontrolowania lodu może oznaczać dosłownie być albo nie być. Część roślin i mikroorganizmów wykorzystuje białka lodotwórcze do kształtowania warunków wokół siebie: albo przyspiesza zamarzanie (np. by uszkodzić tkanki roślinne i dostać się do składników odżywczych), albo je hamuje, co pozwala przetrwać mróz bez zniszczeń.

Grzyby glebowe żyją w środowisku, gdzie temperatura i wilgotność ciągle się zmieniają. Umiejętność wywołania drobnych, kontrolowanych zmian – takich jak wczesne powstanie lodu w mikroskopijnych porach gleby – może wpływać na ruch wody, dostęp tlenu czy konkurencję z innymi organizmami. To drobne, ale realne przewagi w długim biegu ewolucji.

Dla nauki takie zjawiska są cenną inspiracją. Zamiast projektować wszystko od zera, badacze uważnie przyglądają się gotowym rozwiązaniom wypracowanym przez naturę. Model grzybowego białka lodotwórczego może pomóc stworzyć syntetyczne cząsteczki o podobnym działaniu, być może jeszcze stabilniejsze lub regulowane na żądanie. Wtedy zastosowania od chmur po lodówki przestaną być jedynie ciekawostką, a staną się częścią codziennej technologii chłodniczej i klimatycznej.