Niepozorny grzyb z gleby ma białko, które błyskawicznie zamienia wodę w lód

Popularny glebowy grzyb skrywa białko, które potrafi uruchomić zamarzanie wody tuż poniżej zera.

Naukowcy widzą w nim narzędzie dla medycyny i klimatu.

Brzmi jak scenariusz science fiction, a chodzi o organizm, z którym stykamy się na co dzień, chodząc po trawie czy lesie. Międzynarodowy zespół badaczy przeanalizował niezwykłe właściwości jednego z grzybów z rodziny Mortierellaceae i trafił na białko, które wywołuje powstawanie lodu w temperaturze około -2 °C.

Grzyb z podwórka, który potrafi „włączyć” mróz

W szkolnych podręcznikach zamarzanie wody wygląda jak czysta fizyka: spadek temperatury poniżej zera i gotowe. W rzeczywistości proces jest bardziej kapryśny. Czysta woda potrafi pozostać płynna nawet przy kilku stopniach poniżej zera, jeśli nie ma w niej żadnych cząstek, na których mogłyby „zaczepić się” pierwsze kryształki lodu.

To zjawisko nazywa się przechłodzeniem. Do momentu pojawienia się odpowiedniej powierzchni startowej lód po prostu się nie tworzy. W naturze taką rolę często przejmują mikroorganizmy. Zespół kierowany przez Borisa Vinatzera i Xiaofenga Wanga z Virginia Tech pokazał, że robi to także pospolity grzyb glebowy z rodziny Mortierellaceae.

Badane białko działa jak jądro krystalizacji: daje cząsteczkom wody równą, „przyjazną” powierzchnię, na której mogą ustawić się w uporządkowaną strukturę lodu już przy -2 °C.

Gdy takiej powierzchni brakuje, woda może być znacznie zimniejsza od 0 °C i wciąż pozostawać ciekła. Kontakt z cząstką lodu, drobiną kurzu albo – jak w tym wypadku – specjalnym białkiem natychmiast uruchamia gwałtowne zamarzanie.

Białko, które działa poza komórką

Naukowcy znali podobne mechanizmy u niektórych bakterii. Słyną z tego m.in. mikroorganizmy wykorzystywane już dziś do sztucznego wywoływania opadów. Wersja grzybowa okazała się jednak pod pewnym względem wygodniejsza.

Białko z grzyba rozpuszcza się w wodzie i zachowuje aktywność niezależnie od żywej komórki, która je wytworzyła.

Przekłada się to na kilka praktycznych zalet:

• łatwiej je oczyścić i przechowywać w formie preparatu,
• da się je stosować bez całego organizmu – bez ryzyka wprowadzenia obcych komórek do środowiska,
• można je potencjalnie łączyć z innymi substancjami, np. w roztworach do chłodzenia czy zamrażania.

Zespół z Virginia Tech odnalazł gen odpowiedzialny za to białko, korzystając z sekwencjonowania DNA i narzędzi bioinformatycznych. Po przejrzeniu genomu Mortierellaceae okazało się, że ten fragment materiału genetycznego ma nietypową historię.

Szok: ten grzyb pożyczył fragment DNA od bakterii

Analiza genetyczna pokazała, że gen kodujący białko inicjujące zamarzanie nie pasuje do „rodzinnego drzewa” grzyba. Pojawił się tam dużo później, przywędrował z zupełnie innego królestwa organizmów.

Najbardziej prawdopodobny scenariusz to poziomy transfer genu – bakteria przekazała fragment swojego DNA grzybowi wiele setek tysięcy, a może miliony lat temu.

Wbrew pozorom takie transgeniczne skoki nie są całkowicie wyjątkowe, ale wciąż należą do rzadkich wydarzeń. W tym przypadku najwyraźniej przyniosły grzybowi dużą korzyść. Skoro gatunek utrzymał gen przez tak długi czas, znaczy, że w naturze naprawdę mu się przydaje – być może pomaga mu funkcjonować w środowisku narażonym na częste wahania temperatury.

Od chmur po zamrażarkę: gdzie takie białko może się przydać

Sztuczny deszcz bez kontrowersyjnej chemii

Jednym z najbardziej oczywistych zastosowań jest tzw. zasiewanie chmur, czyli metoda wywoływania opadów poprzez rozpylanie substancji, na których mogą narastać kryształki lodu. Obecnie stosuje się np. jodek srebra, który budzi obawy ekologów i mieszkańców terenów objętych takimi operacjami.

Naukowcy widzą w grzybowym białku potencjalny zamiennik dla związków chemicznych stosowanych dziś w inżynierii opadów – preparat oparty na materiale biologicznym, nietoksyczny i naturalnie rozkładający się w środowisku.

Gdyby udało się opracować stabilny koncentrat takiego białka, sam proces zasiewania chmur mógłby stać się mniej obciążający dla przyrody. Temat jest czuły politycznie, więc biologiczne rozwiązania mogą zyskać większą akceptację społeczną niż kolejne syntetyczne substancje.

Bezpieczniejsze mrożenie komórek, tkanek i zarodków

Drugi kierunek to medycyna i biotechnologia. W krioprezerwacji, czyli przechowywaniu komórek, tkanek czy zarodków w bardzo niskich temperaturach, kluczowa jest kontrola sposobu, w jaki powstaje lód. Jeżeli zamarzanie nastąpi zbyt późno, kryształy rosną duże i rozrywają delikatne struktury wewnątrz komórki.

Wcześniejsze „odpalenie” mrozu dzięki takim białkom sprzyja formowaniu mnóstwa drobnych kryształków, które mniej uszkadzają przechowywany materiał biologiczny.

Przekłada się to na większą przeżywalność komórek po rozmrożeniu, a więc lepsze wyniki w bankach krwi pępowinowej, ośrodkach leczenia niepłodności czy w laboratoriach pracujących nad terapiami komórkowymi.

Lepsza jakość mrożonej żywności

Grzybowe białko może też zainteresować przemysł spożywczy. Każdy, kto choć raz wyciągnął z zamrażarki wodniste lody lub „sypiące się” mrożone truskawki, wie, jak bardzo duże kryształy lodu potrafią zniszczyć strukturę produktu.

W kontrolowanych warunkach mrożenia producenci starają się tworzyć jak najmniejsze kryształki. Białko inicjujące zamarzanie mogłoby w tym pomóc, poprawiając:

• konsystencję lodów i sorbetów,
• teksturę mrożonych owoców i warzyw,
• jakość ryb i mięsa po rozmrożeniu.

W efekcie produkty wyglądałyby i smakowały bardziej jak świeże, nawet po długim okresie przechowywania w niskich temperaturach.

Największa przeszkoda: masowa produkcja białka

Na drodze do praktycznego wykorzystania stoi jedno bardzo przyziemne pytanie: jak wytworzyć to białko tanio i w dużych ilościach? Sam grzyb glebowy nie nadaje się do przemysłowych bioreaktorów na taką skalę, jaka byłaby potrzebna dla chmur, szpitali czy fabryk żywności.

Badacze muszą opracować system ekspresji białka w innych organizmach – np. w specjalnie zmodyfikowanych bakteriach lub komórkach drożdży – i dopracować metody oczyszczania, które nie zniszczą jego delikatnej struktury.

Każda nieprawidłowo złożona część cząsteczki może zniszczyć zdolność do inicjowania lodu. Dlatego inżynieria białek i produkcja na skalę przemysłową jest tu równie ważna, jak sama biologia grzyba.

Dlaczego białka „sterujące lodem” przyciągają tyle uwagi

To nie jedyne cząsteczki, które wpływają na zachowanie wody. Naukowcy od lat badają też białka przeciwmrozowe, obecne choćby w rybach żyjących w lodowatych morzach. One z kolei utrudniają tworzenie lodu, działając jak naturalny płyn niezamarzający.

Razem tworzą ciekawy zestaw narzędzi do sterowania przejściem wody z cieczy w lód i z powrotem. W połączeniu z dokładną kontrolą temperatury i składu roztworu takie białka pozwalają projektować proces mrożenia niemal „na zamówienie”.

Dla przeciętnego odbiorcy brzmi to dość abstrakcyjnie, ale konsekwencje mogą być bardzo codzienne: mniej zepsutej żywności w zamrażarkach, większa skuteczność terapii opartych na komórkach, bardziej przewidywalne systemy nawadniania terenów rolniczych. Wszystko zaczyna się od skromnego grzyba z gleby, który wiele setek tysięcy lat temu przyjął od bakterii fragment DNA i przez ten czas dopracował go do perfekcji biologicznej inżynierii lodu.