Zwykły grzyb z ziemi ma białko zamieniające wodę w lód przy -2°C

Brzmi jak magia, a to konkretna biochemia.

To, co wcześniej kojarzyło się z czystą fizyką, nagle mocno skręca w stronę biologii. Badacze pokazują, że niektóre organizmy potrafią dosłownie „pociągnąć za spust” lodu, a jedno niepozorne białko z popularnego w glebie grzyba może zmienić rolnictwo, medycynę i sposób, w jaki sterujemy deszczem.

Grzyb z ogrodu, który przyspiesza powstawanie lodu

Międzynarodowy zespół kierowany przez Borisa Vinatzera i Xiaofenga Wanga z Virginia Tech przyjrzał się bliżej grzybom z rodziny Mortierellaceae. To organizmy obecne w glebach praktycznie na całym globie, także w zwykłych ogrodach i na polach uprawnych.

Badacze zidentyfikowali w nich białko, które pełni rolę jądra krystalizacji. Oznacza to, że powoduje ono powstawanie lodu w wodzie już przy około -2°C, czyli przy temperaturze tylko delikatnie niższej niż punkt zamarzania czystej wody.

To białko działa jak rusztowanie dla cząsteczek wody – porządkuje je tak, by szybciej ułożyły się w lód, zamiast długo pozostawać przechłodzoną cieczą.

Zjawisko, w którym woda pozostaje ciekła poniżej 0°C, fizycy nazywają przechłodzeniem. Bez odpowiednich „zarodków” krystalizacji woda potrafi wytrzymać w tym stanie zaskakująco długo. Białko z Mortierellaceae skraca ten proces, oferując idealnie przygotowaną powierzchnię, na której zaczyna rosnąć kryształ lodu.

Dlaczego ta grzybowa wersja jest tak wyjątkowa

Podobne umiejętności znano wcześniej u części bakterii, na przykład Pseudomonas syringae. Tam również pojawiają się białka, które inicjują zamarzanie. Różnica tkwi w tym, jak można z nich korzystać.

W przypadku bakterii białko działa dobrze tylko wtedy, gdy pozostaje związane z żywą, nienaruszoną komórką. Z praktycznego punktu widzenia to spore utrudnienie. Trzeba utrzymywać delikatne mikroorganizmy przy życiu, dbać o ich stabilność i bezpieczeństwo biologiczne.

Grzybowe białko ma inną naturę:

• jest rozpuszczalne w wodzie,
• działa bez obecności całej komórki,
• można je odizolować i testować jak zwykłą substancję chemiczną.

Dla inżynierów i biotechnologów to ogromna przewaga. Łatwiej je przechowywać, mieszać z innymi substancjami, transportować i wprowadzać do różnych systemów bez ryzyka, że gdzieś uciekną żywe drobnoustroje.

Jak naukowcy namierzyli to białko

Żeby nie bazować tylko na obserwacjach, zespół sięgnął po sekwencjonowanie DNA i narzędzia bioinformatyczne. Naukowcy przeanalizowali genom Mortierellaceae, szukając fragmentu kodu odpowiedzialnego za tworzenie białka zamarzającego wodę.

Gdy udało się namierzyć konkretny gen, porównano go z bazami danych. I tu pojawiło się kolejne zaskoczenie – gen zupełnie nie przypominał typowych fragmentów genomu grzybów.

Analiza pokazała, że kluczowy gen trafił do grzyba z zewnątrz, w drodze tzw. poziomego transferu genów.

To mechanizm, w którym DNA przechodzi z jednego organizmu do drugiego nie przez rozmnażanie, ale przez „skok” między gatunkami. Według badaczy dawno temu jedna z bakterii przekazała grzybowi gen białka inicjującego lód. Szacunki mówią o setkach tysięcy, a nawet milionach lat wstecz.

Gen „pożyczony”, ale mocno ulepszony

Od tamtej pory Mortierellaceae noszą ten element DNA w swoim genomie i go udoskonalają. Gdyby białko nie dawało żadnej przewagi, gen dawno by zanikł. Stało się inaczej – został zachowany, co sugeruje realny zysk ewolucyjny.

Jaką korzyść może mieć z tego grzyb? Tu naukowcy stawiają kilka hipotez: szybsze tworzenie lodu w pobliżu strzępek grzybni mogło kształtować mikrośrodowisko w glebie, ułatwiać dostęp do składników mineralnych, chronić przed konkurentami albo pomagać w cyklu życiowym roślin-gospodarzy związanych z tym grzybem.

Białko od grzyba jako narzędzie do sterowania deszczem

Najbardziej efektownie brzmi zastosowanie w meteorologii. Obecnie do tzw. zasiewania chmur używa się między innymi jodku srebra. Substancja ta sprzyja powstawaniu kryształków lodu w chmurach, co może wywołać opady nad wybranym obszarem. Ma to swoje ograniczenia środowiskowe i kosztowe.

Białko grzybowe kusi jako alternatywa:

Gdyby udało się wytwarzać to białko w dużych ilościach, można by zastąpić związki chemiczne czymś, co w środowisku naturalnym i tak już występuje. To kusząca wizja dla inżynierii klimatycznej i rolnictwa w regionach zmagających się z suszą.

Lepsze mrożenie komórek, tkanek i żywności

Drugi obszar to medycyna i biotechnologia. Przechowywanie komórek, tkanek czy zarodków w niskich temperaturach zawsze niesie to samo ryzyko: zbyt duże kryształy lodu rozrywają struktury wrażliwych komórek.

Jeśli lód powstaje za późno, rosną właśnie takie agresywne, duże kryształy. Gdy zamarzanie zaczyna się nieco wcześniej, woda ma szansę uformować drobniejszą strukturę, mniej szkodliwą dla komórek.

Białko z Mortierellaceae może działać jak regulator – włączyć zamarzanie w odpowiednim momencie, tak by lód był bardziej „aksamitny”, a nie drapieżny dla komórek.

Podobny problem zna każdy producent żywności mrożonej. Im większe kryształy lodu w lodach, warzywach czy mięsie, tym gorsza konsystencja po rozmrożeniu. Stąd zainteresowanie branży spożywczej substancjami, które wpływają na wielkość kryształów lodu.

Grzybowe białko może trafić do testów przy:

• przechowywaniu zarodków i komórek macierzystych,
• bankach tkanek i krwi,
• produkcji lodów o gładkiej strukturze,
• mrożeniu owoców i warzyw o delikatnym miąższu.

Największy problem: jak to wyprodukować tanio i dużo

Choć cały koncept brzmi obiecująco, laboratoria natknęły się już na twardą barierę: wydajność i koszt produkcji. Jedno jest wyizolować białko w próbówce, a zupełnie co innego – wytwarzać je w tonach na potrzeby chmur nad wielkim miastem czy całej linii produktów spożywczych.

Badacze szukają więc metod biotechnologicznych: być może gen trafi do genetycznie modyfikowanych bakterii lub drożdży, które będą działały jak minifabryki białka. Trzeba przy tym zadbać o stabilność, bezpieczeństwo i łatwość oczyszczania produktu.

Jeśli ta przeszkoda zostanie pokonana, zupełnie zwyczajny grzyb glebowy może stać się potężnym narzędziem dla medycyny, rolnictwa i meteorologii. To przykład, jak mały fragment DNA potrafi zmienić funkcjonowanie całych branż.

Co właściwie robią białka inicjujące lód

Dla osób niezajmujących się na co dzień fizyką fazową wody cały mechanizm może brzmieć abstrakcyjnie. W uproszczeniu: cząsteczki wody w stanie ciekłym poruszają się chaotycznie. Żeby powstał lód, muszą się ustawić w uporządkowaną sieć krystaliczną.

Białko inicjujące lód udostępnia im „szablon”. Jego powierzchnia ma taki kształt i rozkład ładunków, że cząsteczki wody chętnie się do niego dopasowują. Kilka pierwszych warstw tworzy zalążek kryształu, który następnie powiększa się już samoczynnie.

To trochę jak ustawienie pierwszych kilku klocków domina. Bez nich nic się nie dzieje, a gdy już stoją, cała reszta spada niemal bez wysiłku.

Ryzyka i pytania, na które trzeba odpowiedzieć

Manipulowanie procesem zamarzania na dużą skalę zawsze rodzi pytania. W przypadku białka grzybowego trzeba będzie sprawdzić, jak zachowuje się w atmosferze, glebie i organizmach żywych. Nawet jeśli mowa o cząsteczce pochodzenia naturalnego, inne jest jej działanie w mikroskali ekosystemu, a inne – gdy zaczniemy rozpylać ją nad całymi regionami.

Dodatkowo warto pamiętać, że w rolnictwie i sadownictwie białka inicjujące lód mogą też przyspieszać przymrozki na roślinach, co nie zawsze jest pożądane. Ten sam mechanizm, który ratuje jedne uprawy, w innych okolicznościach może szkodzić. Dlatego zanim białko trafi na szeroki rynek, konieczne będą szczegółowe scenariusze użycia i ograniczenia.

Cała historia Mortierellaceae pokazuje, jak elastyczna bywa natura. Gen pochodzący z bakterii przechodzi do grzyba, ten robi z niego narzędzie do kontrolowania lodu, a człowiek próbuje to narzędzie wykorzystać na swoją korzyść. I wcale nie jest oczywiste, gdzie leży granica między sprytnym wykorzystaniem a nadmierną ingerencją w procesy, które ewoluowały przez miliony lat.