Zwykły grzyb z ziemi ma białko zamieniające wodę w lód w sekundę

Niepozorny grzyb żyjący w zwykłej glebie okazał się mistrzem kontrolowania lodu.

Naukowcy twierdzą, że może zmienić sposób, w jaki obchodzimy się z wodą i mrożeniem.

Badacze z Virginia Tech zidentyfikowali białko, które sprawia, że czysta woda zamarza prawie natychmiast, już przy delikatnym mrozie. Jeśli uda się je tanio wytwarzać, skorzysta na tym meteorologia, medycyna, rolnictwo i przemysł spożywczy.

Grzyb z ogrodu, który przyspiesza powstawanie lodu

Zespół kierowany przez Borisa Vinatzera i Xiaofenga Wanga przyglądał się grzybom z rodziny Mortierellaceae. To jedne z najbardziej pospolitych organizmów glebowych – są obecne w lasach, na polach uprawnych, a nawet w ogrodach przydomowych. W ich genomie znaleziono gen kodujący wyjątkowe białko działające jak inicjator zamarzania wody.

W normalnych warunkach czysta, pozbawiona zanieczyszczeń woda może pozostać cieczą poniżej zera stopni. Fizyków od dawna fascynuje zjawisko tzw. przechłodzenia, kiedy temperatura spada, ale kryształki lodu jeszcze się nie pojawiają, bo brakuje im „rusztowania” do uformowania się.

To właśnie zapewnia białko z grzyba: tworzy powierzchnię, na której cząsteczki wody ustawiają się w uporządkowany sposób, aż powstaje lód już przy około -2 °C.

Naukowcy opisują, że białko zachowuje się jak szablon dla kryształów lodu. Gdy tylko w jego sąsiedztwie znajduje się przechłodzona woda, proces przejścia w stan stały rusza zaskakująco szybko.

Dlaczego wersja grzybowa jest tak wyjątkowa

Do tej pory podobną zdolność kojarzono głównie z bakteriami, zwłaszcza z gatunkiem Pseudomonas syringae. Wykorzystuje się je między innymi w badaniach nad sztucznym wywoływaniem opadów. Białka bakteryjne mają jednak istotne ograniczenie: by działały, zwykle muszą pozostać związane z żywą, nieuszkodzoną komórką.

Białko pochodzące z grzyba zachowuje się inaczej. Jest rozpuszczalne w wodzie i skutecznie działa w oderwaniu od komórki, która je wyprodukowała. Można je więc:

• wyizolować i przechowywać w roztworze,
• dodawać do wody czy innych płynów jak klasyczny składnik,
• testować w bardzo różnych warunkach bez martwienia się o przeżycie organizmu.

Taka swoboda w stosowaniu sprawia, że biolodzy i inżynierowie widzą w nim znacznie większy potencjał praktyczny niż w odpowiednikach bakteryjnych.

Gen pożyczony od bakterii bardzo dawno temu

Analiza DNA grzyba z rodziny Mortierellaceae pokazała, że gen kodujący białko inicjujące zamarzanie nie jest elementem jego pierwotnego wyposażenia. Wszystko wskazuje na to, że został przejęty od bakterii metodą tzw. poziomego transferu genów.

W takim procesie fragment materiału genetycznego przeskakuje pomiędzy odległymi ewolucyjnie organizmami, bez klasycznego dziedziczenia z rodzica na potomstwo. To jak nagłe wgranie obcego programu do odmiennie zaprojektowanego komputera.

Badacze szacują, że ta „genetyczna pożyczka” mogła się wydarzyć setki tysięcy, a nawet miliony lat temu, po czym grzyby zaczęły ją udoskonalać na własnych zasadach.

Skoro gen utrzymał się tak długo, najpewniej zapewnia grzybowi konkretne korzyści. Być może pomaga mu przetrwać w rejonach, gdzie gleba często przemarza, wpływa na kontakt z wodą w mikroskopijnych przestrzeniach między cząstkami ziemi albo zmienia relacje z innymi mikroorganizmami w ekosystemie.

Od chmur po banki komórek – gdzie można to wykorzystać

Modyfikowanie opadów bez agresywnej chemii

Jednym z głównych kierunków, o których mówią autorzy badań, jest tzw. zasiewanie chmur, czyli technika używana do wywoływania deszczu lub śniegu. Dziś stosuje się do tego m.in. jodek srebra – substancję skuteczną, ale nieobojętną dla środowiska i budzącą spory.

Grzybowe białko, jako cząsteczka biologiczna, rozkładająca się w przyrodzie, może pewnego dnia zastąpić takie chemikalia. W teorii wystarczyłoby rozpylać roztwór zawierający białko w chmurach, by ułatwić powstawanie kryształków lodu, a dalej – opadów.

Dla regionów borykających się z suszą byłby to interesujący kierunek, choć pojawia się też pytanie o etykę „sterowania pogodą” i możliwe skutki uboczne dla sąsiednich obszarów.

Bezpieczniejsze mrożenie komórek i tkanek

Drugi obszar, gdzie białko może sporo zmienić, to krioprezerwacja – przechowywanie w niskich temperaturach komórek, zarodków, tkanek czy nasion. Główny problem w tych procesach polega na tym, że jeśli woda wokół komórek zamarza zbyt późno, tworzą się duże, ostre kryształy lodu, które dosłownie rozrywają struktury biologiczne.

Jeśli zainicjuje się zamarzanie nieco wcześniej, kryształy są mniejsze i bardziej jednorodne, przez co nie uszkadzają komórek tak agresywnie.

Białko z grzyba może działać właśnie w ten sposób: „podsuwać” lodowi moment startu, tak by cały proces przebiegał spokojniej i przewidywalniej. To cenna perspektywa dla banków komórek, klinik leczenia niepłodności i ośrodków przechowujących materiał genetyczny zagrożonych gatunków.

Lepsza jakość mrożonej żywności

Rozmiar kryształków lodu jest kluczowy również w produktach spożywczych. Każdy, kto jadł lody pełne twardych grudek lodu lub mięso o zniszczonej strukturze po odmrożeniu, zna ten problem z własnej kuchni.

W przemyśle spożywczym od lat stosuje się różne metody szybkiego mrożenia, by ograniczyć rozrost kryształów. Dodanie białka inicjującego zamarzanie mogłoby jeszcze dokładniej kontrolować ten proces. Efektem byłyby na przykład:

• lody o gładszej, kremowej konsystencji,
• mrożone owoce, które po rozmrożeniu mniej się rozpadają,
• ryby i mięso o bardziej naturalnej strukturze po obróbce.

Największa przeszkoda: jak wytworzyć to białko na masową skalę

Choć wyniki badań wyglądają obiecująco na poziomie laboratoryjnym, do realnych zastosowań droga jest długa. Białko trzeba produkować w ogromnych ilościach i po kosztach akceptowalnych dla rolnictwa, przemysłu spożywczego czy medycyny.

Teoretycznie można to zrobić na kilka sposobów, na przykład:

Do tego dochodzą kwestie regulacyjne: zastosowania w chmurach, w medycynie czy w żywności wymagają różnych, często bardzo rygorystycznych testów bezpieczeństwa. Sam fakt, że białko jest pochodzenia naturalnego, nie gwarantuje od razu pełnej akceptacji instytucji nadzorczych.

Czego to nas uczy o lodzie i o życiu

Historia grzybowego białka ciekawie łączy fizykę i biologię. Zamarzanie często przedstawia się jako czysto fizyczny proces, zależny od temperatury i ciśnienia. Tu widać, że żywe organizmy potrafią w ten proces ingerować bardzo konkretnymi, wyspecjalizowanymi cząsteczkami.

Dla biologów to sygnał, że inne, pozornie „czysto fizyczne” zjawiska w środowisku mogą mieć swoje odpowiedniki kontrolowane przez mikroorganizmy. Być może w glebie, w atmosferze czy w oceanach działają całe zestawy białek, które pomagają organizmom dopasowywać się do skrajnych temperatur, suszy czy zmiennej wilgotności.

Z praktycznego punktu widzenia warto też wyjaśnić samo zjawisko przechłodzenia, bo wbrew pozorom wielu ludzi spotyka się z nim w domu. Czasem napój w butelce leżącej w zamrażarce wygląda jak ciecz, ale po lekkim stuknięciu nagle zaczyna się zmieniać w lód – to właśnie przykład spontanicznego przejścia przechłodzonej wody w stan stały, gdy trafi na odpowiedni bodziec.

Białko opisane przez zespół z Virginia Tech w pewnym sensie pełni rolę takiego bodźca, tylko niezwykle precyzyjnego i przewidywalnego. Nauka próbuje teraz przekuć tę naturalną sztuczkę w narzędzie, które da się zastosować w chmurach, probówkach i mroźniach przemysłowych, nie gubiąc po drodze ekologicznego i etycznego rozsądku.