Zwykły grzyb z gleby zaskoczył naukowców. Błyskawicznie zamraża wodę

Niepozorny grzyb żyjący w ziemi okazał się mistrzem lodu.

Naukowcy znaleźli w nim białko, które potrafi uruchomić zamarzanie niemal na zawołanie.

To nie jest fikcja z filmu science fiction, tylko wynik badań nad pospolitym organizmem glebowym. W jego komórkach kryje się cząsteczka, która potrafi zmienić stan wody już przy lekkim mrozie i może w przyszłości trafić do meteorologii, medycyny i przemysłu spożywczego.

Grzybowe białko, które zamienia wodę w lód przy -2°C

Międzynarodowy zespół badaczy kierowany przez Borisa Vinatzera i Xiaofenga Wanga z Virginia Tech przeanalizował grzyby z rodziny Mortierellaceae. To bardzo powszechne organizmy żyjące w glebach na różnych kontynentach. W ich genomie znaleziono gen kodujący niezwykłe białko odpowiedzialne za błyskawiczne powstawanie lodu.

Ta cząsteczka pełni rolę tzw. jądra krystalizacji. Umożliwia cząsteczkom wody ustawienie się w regularną strukturę lodu przy temperaturach zaledwie lekko poniżej zera, około -2°C. Normalnie czysta woda bez domieszek potrafi pozostać płynna znacznie dłużej, nawet przy kilku stopniach mrozu. Fizyków od dawna fascynuje to zjawisko i nazywają je przechłodzeniem.

Grzybowe białko w pewnym sensie oszukuje ten proces. Dostarcza powierzchnię, na której cząsteczki wody łatwo układają się w kryształ. W efekcie lód pojawia się wcześniej, a proces nie wymaga silnego ochłodzenia ani obecności komórek żywych organizmów.

Naukowcy opisują białko grzybowe jako rozpuszczalne w wodzie jądro krystalizacji, które wywołuje zamarzanie już przy około -2°C, bez udziału całej komórki.

Dlaczego to tak wyjątkowa cząsteczka

Molekuły uruchamiające powstawanie lodu znamy już z badań nad bakteriami, m.in. nad Pseudomonas syringae. Tamte białka działają jednak skutecznie tylko wtedy, gdy są osadzone w żywych, kompletnych komórkach bakteryjnych. Grzybowa wersja wypada znacznie wygodniej w praktyce.

• jest w pełni rozpuszczalna w wodzie,
• działa poza komórką, która ją wytworzyła,
• można ją oddzielić i stosować jako samą cząsteczkę,
• łatwiej wkomponować ją w różne roztwory i materiały.

To sprawia, że białko z Mortierellaceae kusi inżynierów i biotechnologów. Można je testować w warunkach zbliżonych do realnych zastosowań, a nie tylko w sterylnym środowisku laboratoryjnym.

Jak grzyb dostał supermoc? Ślad prowadzi do bakterii

Zespół badawczy nie poprzestał na opisaniu samego działania białka. Naukowcy sięgnęli po sekwencjonowanie DNA oraz narzędzia bioinformatyczne, aby sprawdzić, skąd w ogóle wziął się gen odpowiedzialny za tę zdolność. Okazało się, że to nie jest pierwotny element genomu grzyba.

Analiza porównawcza wykazała, że sekwencja przypomina bakteryjne geny znane z innych gatunków. Najbardziej prawdopodobny scenariusz: dawno temu doszło do tzw. poziomego transferu genów. Oznacza to, że grzyb przyjął fragment obcego DNA od bakterii i wbudował go w swój własny materiał genetyczny.

Badacze szacują, że to genetyczne „pożyczenie” mogło nastąpić setki tysięcy, a może nawet miliony lat temu, po czym grzyb zaczął dopracowywać obcą instrukcję na własny użytek.

Poziomy transfer genów w praktyce

Tego typu wymiana informacji genetycznej pomiędzy tak odległymi grupami organizmów nie zdarza się codziennie, ale nie jest też całkowicie wyjątkowa. Pokazuje, że grzyby potrafią przyjmować i wykorzystywać narzędzia biologiczne opracowane przez inne mikroorganizmy.

W efekcie nie muszą „wymyślać” od zera sposobu na wywoływanie zamarzania. Mogą wziąć sprawdzony bakteryjny zestaw instrukcji, dostosować go do swojego metabolizmu i zyskać przewagę ewolucyjną. Skoro gen przetrwał w genomie tak długo, najwyraźniej opłaca się jego właścicielowi.

Od chmur po zamrażarkę: gdzie można użyć grzybowego białka

Najciekawsza część tej historii zaczyna się w momencie, gdy naukowcy przenoszą białko z probówki do realnych zastosowań. Zarysowują się trzy główne kierunki: meteorologia, medycyna i przemysł spożywczy.

Kontrolowane deszcze i śnieg dzięki biologicznemu inicjatorowi lodu

W meteorologii od lat stosuje się tzw. zasiewanie chmur. Chodzi o wprowadzenie do chmury substancji, które ułatwiają powstawanie kryształków lodu, a w konsekwencji deszczu lub śniegu. Dziś często wykorzystuje się do tego jodek srebra, który budzi sporo wątpliwości środowiskowych.

Grzybowe białko jawi się jako naturalna, potencjalnie mniej uciążliwa dla ekosystemów alternatywa. Jest cząsteczką biologiczną, nietrwałą w środowisku, a do tego skuteczną już przy lekkim mrozie. W opinii badaczy mogłoby z czasem zastąpić obecnie używane chemikalia w części scenariuszy.

Bezpieczniejsze mrożenie komórek, tkanek i zarodków

Drugi obszar to krioprezerwacja, czyli przechowywanie żywych komórek, zarodków czy fragmentów tkanek w niskich temperaturach. Kluczowy problem: gdy woda zamarza zbyt późno, tworzą się duże, ostre kryształy lodu, które rozrywają błony komórkowe i uszkadzają ich wnętrze.

Białko pochodzące z grzyba może uruchomić zamarzanie wcześniej i przy mniejszym spadku temperatury. Sprzyja to powstawaniu gęstej sieci drobnych kryształów, które mniej niszczą struktury biologiczne. To szansa na łagodniejsze i bardziej przewidywalne zamrażanie komórek przeznaczonych do terapii, in vitro, badań nad nowotworami czy przechowywania rzadkich linii komórkowych.

Wczesne, kontrolowane zamarzanie sprzyja powstawaniu drobnych kryształów lodu, co może ograniczać uszkodzenia komórek podczas krioprezerwacji.

Lepsza jakość mrożonej żywności

Na tej samej zasadzie funkcjonuje trzeci kierunek – przemysł spożywczy. Każdy, kto jadł lody z dużą ilością lodowych igieł, zna problem nadmiernie rozbudowanych kryształów. Im większe kryształy, tym gorsza tekstura produktu po rozmrożeniu.

Jeśli uda się wprowadzić do produktów śladowe ilości białka uruchamiającego wczesne zamarzanie, proces mrożenia może przebiegać szybciej i drobnokrystalicznie. Efekt: gładsze lody, lepsza struktura mrożonych owoców czy warzyw oraz mniejsze uszkodzenia komórek w mięsie czy rybach.

Największa bariera: produkcja na masową skalę

Do przełomu jeszcze daleko. Zespół badawczy podkreśla, że kluczowym wyzwaniem staje się teraz wytworzenie dużych ilości białka w opłacalny sposób. Produkcja w bioreaktorach, oczyszczanie, stabilizacja i transport wymagają dopracowanej technologii.

Dopiero gdy te etapy zadziałają razem, grzybowy inicjator lodu będzie mógł trafić z laboratoriów do chmur, banków komórek czy zakładów produkcji żywności. W przeciwnym razie pozostanie ciekawą ciekawostką biologiczną.

Na czym w ogóle polega przechłodzenie i rola jąder krystalizacji

Dla lepszego zrozumienia warto wyjaśnić dwa pojęcia, które często pojawiają się przy tej tematyce. Przechłodzenie to stan, w którym ciecz pozostaje płynna poniżej temperatury zamarzania, ponieważ brakuje punktu, od którego zacznie się tworzenie kryształu. Woda bez żadnych cząstek stałych lub zanieczyszczeń potrafi tak „oszukiwać” temperaturę przez długi czas.

Jądra krystalizacji pełnią rolę zapalników. Mogą to być drobiny kurzu, kryształki soli, fragmenty lodu albo właśnie białka. Do takiej struktury łatwiej doczepiają się kolejne cząsteczki wody, aż w końcu powstaje rosnący kryształ. Grzybowe białko z Mortierellaceae jest wyjątkowo skutecznym inicjatorem tego procesu w niewielkim mrozie.

Ryzyka, pytania i możliwe kierunki dalszych badań

Entuzjazm wokół nowych zastosowań warto zestawić z rozsądną ostrożnością. Jeśli białko trafiłoby na dużą skalę do atmosfery czy do systemów wodnych, trzeba upewnić się, że nie zaburzy naturalnych procesów klimatycznych i hydrologicznych w sposób trudny do przewidzenia. Sztuczne sterowanie opadami bywa wrażliwym tematem politycznym i społecznym, szczególnie w regionach dotkniętych suszami.

W obszarze żywności i medycyny dochodzą pytania o alergie, toksyczność przy długotrwałym kontakcie czy interakcje z innymi składnikami. Każde zastosowanie wymaga osobnych testów bezpieczeństwa, od prób na komórkach po badania na zwierzętach, a potem ludzi.

Z drugiej strony biotechnolodzy mogą potraktować tę cząsteczkę jako punkt wyjścia do tworzenia zmodyfikowanych wersji. Być może uda się zaprojektować warianty działające w nieco innych temperaturach, bardziej stabilne lub o ściśle kontrolowanej aktywności. Tego typu „precyzyjne inicjatory lodu” mogłyby obsługiwać różne nisze: od aparatury kriogenicznej po domowe zamrażarki nowej generacji.