Grzyb z gleby zaskoczył naukowców: białko zamienia wodę w lód w kilka sekund

Niepozorny grzyb z ziemi może całkowicie zmienić sposób, w jaki kontrolujemy mróz, chmury deszczowe i zamrażanie żywności.

Naukowcy z Virginii opisali białko wytwarzane przez pospolity organizm glebowy, które potrafi „włączyć” zamarzanie wody niemal na zawołanie. To nie science fiction, tylko bardzo konkretna biochemia z potencjałem dla medycyny, rolnictwa i inżynierii pogodowej.

Grzyb, który uruchamia mróz prawie przy zerze

Zespół badaczy kierowany przez Borisa Vinatzera i Xiaofenga Wanga z Virginia Tech przyjrzał się grzybom z rodziny Mortierellaceae. To jedne z najczęściej występujących organizmów glebowych na Ziemi – rosną w polu, w ogrodzie, w lesie, praktycznie wszędzie tam, gdzie jest wilgotna ziemia.

W ich genomie badacze znaleźli gen kodujący niezwykle nietypowe białko. Zachowuje się ono jak tzw. jądro krystalizacji lodu: wystarczy, że znajdzie się w wodzie schłodzonej tuż poniżej zera, a proces zamarzania rusza błyskawicznie, już przy około -2°C.

Białko grzybowe „podsuwa” cząsteczkom wody idealnie ułożoną powierzchnię, na której mogą zacząć tworzyć uporządkowaną strukturę lodu, zamiast pozostawać w stanie ciekłym mimo mrozu.

W czystych, laboratoryjnych warunkach woda potrafi pozostawać ciekła nawet przy kilku stopniach poniżej zera. Fizycy nazywają to przechłodzeniem. Bez zanieczyszczeń czy cząsteczek inicjujących krystalizację lód po prostu nie ma od czego „zacząć się budować”. Białko z grzyba omija ten problem i dostarcza idealny „szkielet startowy” dla kryształków lodu.

Czym różni się to białko od znanych dotąd?

Zdolności do inicjowania mrozu znano już wcześniej u niektórych bakterii, między innymi u gatunku Pseudomonas syringae. Te mikroorganizmy potrafią sprawiać, że rośliny przemarzają, co czasem wykorzystuje się w badaniach nad pogodą.

Tu pojawia się jednak zasadnicza różnica. W przypadku bakterii, żeby białko działało, zwykle trzeba zachować całe, żywe komórki. To rodzi problemy z bezpieczeństwem, stabilnością i logistyką. Białko pochodzące z grzyba:

• jest rozpuszczalne w wodzie,
• działa niezależnie od komórki, która je wytworzyła,
• można je wyizolować i stosować jak zwykły składnik roztworu.

Dla przemysłu czy zastosowań poza laboratorium to ogromny plus. Zamiast pracować z żywymi bakteriami, wystarczy samo oczyszczone białko, które można dozować precyzyjnie i bez ryzyka zakażenia.

Gen jak pożyczka od bakterii sprzed setek tysięcy lat

Naukowcy nie zatrzymali się na opisaniu działania białka. Z pomocą sekwencjonowania DNA i narzędzi bioinformatycznych sprawdzili, skąd w ogóle wziął się gen odpowiedzialny za tę zdolność.

Wynik był zaskakujący: ten fragment materiału genetycznego nie przypomina typowego genu grzybowego. Analiza wskazuje, że pochodzi od bakterii i trafił do genomu grzyba w wyniku tzw. poziomego transferu genów. To proces, w którym organizm przejmuje obcy fragment DNA nie przez zwykłe rozmnażanie, lecz jakby „doklejając” gotowy moduł od zupełnie innego gatunku.

Według analizy badaczy do takiego transferu doszło co najmniej setki tysięcy, a być może miliony lat temu. Od tego czasu grzyby zachowały i dostroiły ten gen, co sugeruje, że bardzo się im przydaje.

Takie genetyczne „przesiadki” między odległymi grupami organizmów są stosunkowo rzadkie, ale zdarzają się częściej, niż jeszcze kilkanaście lat temu zakładano. W tym przypadku grzyby nie wypracowały samodzielnie zdolności inicjowania lodu, tylko skorzystały z gotowego rozwiązania, a następnie dopasowały je do własnych potrzeb.

Od chmur deszczowych po mrożoną żywność

Dlaczego to w ogóle ma znaczenie poza czysto naukową ciekawością? Zastosowania nasuwają się jedno po drugim. Białko, które w kontrolowany sposób uruchamia zamarzanie przy niewielkim mrozie, można wykorzystać w trzech dużych obszarach.

Modyfikowanie chmur bardziej przyjazne dla środowiska

W meteorologii od lat stosuje się tzw. zasiewanie chmur – wprowadzanie do nich substancji, które ułatwiają tworzenie kryształków lodu, a więc i opady. W wielu krajach wykorzystuje się do tego jodek srebra. Działa skutecznie, ale budzi dyskusje dotyczące wpływu na środowisko i konieczności ostrożnego dozowania.

Biologiczne białko rozpuszczalne w wodzie, nietoksyczne i działające już przy niewielkim mrozie, może stać się atrakcyjną alternatywą. W teorii pozwoliłoby to:

• ograniczyć stosowanie związków srebra,
• dokładniej kontrolować ilość substancji wprowadzanej do chmur,
• dostosować działanie do konkretnych warunków temperaturowych.

Dla regionów zmagających się z suszą lub nieregularnymi opadami taka technologia byłaby narzędziem do bardziej świadomego zarządzania wodą opadową.

Bezpieczniejsze mrożenie komórek i tkanek

Drugi obszar to medycyna i biobankowanie. W krioprezerwacji – czyli przechowywaniu komórek, tkanek, nasienia czy zarodków w bardzo niskich temperaturach – najgroźniejszym przeciwnikiem są duże kryształy lodu. Gdy woda wokół komórki zamarza zbyt późno i zbyt gwałtownie, tworzą się ostre, duże struktury, które fizycznie rozrywają błony i delikatne elementy wewnątrz.

Jeśli proces zamarzania zacznie się wcześniej i będzie przebiegał kontrolowanie, tworzą się mniejsze kryształy lodu, mniej szkodliwe dla komórek i tkanek.

Białko z grzyba może właśnie do tego posłużyć – delikatnie „wyzwalać” lód przy odpowiednim progu temperatury. Dobrze dobrana dawka w roztworze otaczającym komórki mogłaby znacząco zwiększyć ich szanse na przeżycie długiego mrożenia i późniejszego rozmrażania.

Lepsza struktura lodów i mrożonek

Trzecia sfera to przemysł spożywczy. Każdy, kto jadł lody, które po kilku cyklach zamrażania i rozmrażania zamieniły się w twardą, lodową bryłę, zna problem: duże kryształy lodu psują teksturę. Dotyczy to nie tylko deserów, lecz także warzyw, owoców czy gotowych dań.

Kontrolowane inicjowanie zamarzania przy pomocy białka może pomagać utrzymać małe kryształki lodu, a więc lepszą konsystencję i wrażenia smakowe. W praktyce oznaczałoby to mrożonki o bardziej „świeżej” strukturze, bliższej produktom tuż po przygotowaniu.

Największe wyzwanie: wytworzyć dużo białka za rozsądną cenę

Wszystkie te scenariusze brzmią obiecująco, ale na drodze stoi jedno bardzo prozaiczne ograniczenie: produkcja. Sam grzyb z gleby nie wystarczy, żeby zapełnić nim laboratoria, chmury czy fabryki żywności.

Naukowcy muszą opracować sposób na:

Dopiero gdy te kroki okażą się wykonalne na skalę przemysłową, białko z niepozornego grzyba będzie mogło realnie trafić do chmur, banków tkanek czy linii produkcyjnych w fabrykach żywności.

Co jeszcze może z tego wyniknąć?

Opisany grzyb to tylko jeden przykład organizmu z nietypowym zestawem białek sterujących zamarzaniem. Dla naukowców to zachęta, żeby uważniej przyglądać się innym gatunkom żyjącym w ekstremalnych lub zmiennych warunkach, na przykład mikroorganizmom z arktycznych gleb czy wysokich partii gór.

Jeśli białko z Mortierellaceae rzeczywiście wejdzie do szerszego użycia, dojdą też pytania regulacyjne i etyczne. W przypadku zasiewania chmur trzeba będzie rozważyć, kto decyduje o „sterowaniu” opadami w danym regionie. W medycynie zaś konieczne będą dokładne testy bezpieczeństwa, choć samo białko jest cząsteczką biologiczną, a więc potencjalnie łatwiej „oswajalną” niż wiele syntetycznych chemikaliów.

Z perspektywy zwykłego odbiorcy najciekawsza jest sama idea: organizmy glebowe, które mijamy codziennie, w ciszy rozwijają rozwiązania wyrafinowane z punktu widzenia fizyki i chemii. Dobrze opisane i odpowiednio wykorzystane, mogą stać się elementem zestawu narzędzi do zarządzania mrozem – od chmury nad miastem, przez fiolkę w kriobankach, po pudełko lodów w domowej zamrażarce.