Niepozorny grzyb glebowy kryje zaskakującą supermoc
Zwyczajny grzyb żyjący w glebie posiada niezwykłą zdolność: wytwarza białko, które potrafi błyskawicznie przekształcić wodę w lód.
Naukowcy odkryli, że pewien powszechnie występujący gatunek grzyba glebowego produkuje białko zdolne do krystalizowania wody tuż poniżej punktu zamarzania. To odkrycie, choć brzmi jak ciekawostka laboratoryjna, może mieć ogromne znaczenie dla wywoływania opadów deszczu, przechowywania narządów, a nawet produkcji mrożonej żywności.
Białko grzybowe, które zamraża wodę w mgnieniu oka
Badaniem kierowali Boris Vinatzer i Xiaofeng Wang z Virginia Tech. Skupili się na grzybach z rodziny Mortierellaceae, które zasiedlają gleby na całym świecie i dotychczas interesowały głównie ekologów. Okazało się jednak, że kryją w sobie coś wyjątkowego — białko zachowujące się jak „zarodek lodu".
To białko pełni funkcję jądra glacjacji. Tworzy swego rodzaju platformę startową, na której cząsteczki wody mogą uporządkować się i uformować kryształ lodu. Dzięki temu woda zamarza już w okolicach -2 stopni Celsjusza, podczas gdy czysta woda bez żadnych zanieczyszczeń potrafi pozostawać w stanie ciekłym nawet w znacznie niższych temperaturach — zjawisko to nazywamy przechłodzeniem.
Tam, gdzie zwykła woda spokojnie obniża temperaturę bez zamarzania, grzybowe białko pociąga za hamulec awaryjny i zmusza ją do natychmiastowego tworzenia lodu.
Podobne właściwości znano już wcześniej u niektórych bakterii, takich jak Pseudomonas syringae — tzw. bakteria lodowa, która nasila szkody mrozowe w uprawach. Nowością jest odkrycie analogicznego mechanizmu u grzyba, i to z właściwościami znacznie wygodniejszymi w praktycznym zastosowaniu.
Dlaczego to białko tak bardzo ekscytuje naukowców
Różnice między nowo odkrytym białkiem grzybowym a dotychczas poznanymi białkami bakteryjnymi są kluczowe. W przypadku bakterii mechanizm tworzenia lodu działa skutecznie tylko wtedy, gdy białka są związane z powierzchnią żywych komórek. Oznacza to konieczność posiadania kompletnych, żywych organizmów — co jest skomplikowane logistycznie i rodzi pytania o bezpieczeństwo oraz regulacje prawne.
Białko grzybowe jest natomiast w pełni rozpuszczalne w wodzie i działa niezależnie od komórki, która je wytworzyła. To sprawia, że jest znacznie łatwiejsze do:
- oczyszczania w warunkach laboratoryjnych
- precyzyjnego dozowania
- stosowania bez obecności żywych mikroorganizmów
- integracji z istniejącymi systemami technologicznymi
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Science Advances. Dzięki sekwencjonowaniu DNA i bioinformatyce naukowcy ustalili dokładnie, który gen w genomie grzyba odpowiada za produkcję tego białka. Otwiera to drogę do jego wytwarzania np. przy użyciu drożdży lub innych mikroorganizmów przemysłowych.
Stary gen pożyczony od bakterii
Analiza genetyczna przyniosła jeszcze jedno zaskoczenie. Okazało się, że gen odpowiedzialny za tworzenie lodu wcale nie pochodzi pierwotnie od samego grzyba. Uderzające podobieństwa wskazują, że w odległej przeszłości został on „pożyczony" od bakterii w procesie tzw. horyzontalnego transferu genów.
W tym procesie DNA przeskakuje z jednego gatunku do drugiego bez udziału rozmnażania. Wśród bakterii zdarza się to stosunkowo często, ale między tak odległymi grupami organizmów jak bakterie i grzyby jest to zjawisko znacznie rzadsze i tym bardziej fascynujące.
Grzyb nie wynalazł samodzielnie sztuczki szybkiego zamrażania wody — przejął ją od bakterii i przez miliony lat doskonalił na własny użytek.
Według obliczeń zespołu badawczego transfer ten nastąpił prawdopodobnie co najmniej kilkaset tysięcy lat temu, a możliwe, że znacznie wcześniej. Fakt, że grzyb zachował ten gen przez tak długi czas, sugeruje, iż przynosi mu realną korzyść w naturze — na przykład ułatwia przeżycie w zimnych lub zmiennych środowiskach.
Od chmury do zamrażarki — możliwe zastosowania
Ekologiczne wywoływanie opadów z biologicznymi jądrami lodu
Jedno z najbardziej ekscytujących zastosowań dotyczy tzw. zasiewania chmur. Polega ono na wprowadzaniu substancji do chmur w celu stymulowania opadów deszczu lub śniegu — np. nad obszarami dotkniętymi suszą lub ośrodkami narciarskimi. Dotychczas meteorolodzy wykorzystywali do tego jodek srebra, substancję nieorganiczną, wobec której organizacje ekologiczne od lat zgłaszają zastrzeżenia.
Białko grzybowe mogłoby teoretycznie pełnić tę rolę jako biologiczna alternatywa. Wywołuje zamarzanie wody już przy lekkim mrozie i pochodzi od organizmu naturalnie obecnego w glebach na całym świecie. Na papierze brzmi to znacznie przyjaźniej dla środowiska i zdrowia niż związki metali.
Lepsza krioprezerwacja komórek, tkanek i zarodków
W medycynie i biotechnologii sposób zamarzania odgrywa ogromną rolę. Przy przechowywaniu krwinek, komórek macierzystych, materiału rozrodczego czy drobnych tkanek liczy się nie tylko temperatura, lecz także to, jak dokładnie powstaje lód. Gdy woda zbyt długo pozostaje przechłodzona i zamarza z opóźnieniem, tworzą się duże, ostre kryształy.
Te gruboziarniste kryształy mogą przebijać błony komórkowe jak odłamki szkła, powodując nieodwracalne uszkodzenia. Jeśli natomiast lód tworzy się nieco wcześniej i w sposób kontrolowany, powstają znacznie mniejsze kryształki, które są dla komórek o wiele łagodniejsze.
Subtelne przesunięcie punktu zamarzania ku górze pozwala lekarzom i technikom laboratoryjnym kontrolować strukturę kryształów lodu — a to decyduje o tym, czy komórki przeżyją, czy giną.
Białko grzybowe mogłoby stać się pomocnym narzędziem przy optymalizacji protokołów mrożenia w klinikach leczenia niepłodności, bankach krwi i biobankach. W połączeniu z istniejącymi substancjami krioochronnymi, takimi jak glicerol czy dimetylosulfotlenek, dałoby to znacznie bardziej precyzyjnie regulowany system.
Gładsze lody, lepsze pieczywo i mniejsze straty w zamrażarce
Również w przemyśle spożywczym wielkość kryształów lodu ma kluczowe znaczenie. Duże kryształy sprawiają, że lody są twarde i ziarniste, pieczywo po rozmrożeniu staje się gąbczaste, a warzywa tracą swoją strukturę. Drobne kryształki dają natomiast kremową konsystencję i skuteczniej zachowują pierwotną strukturę produktów.
Producenci żywności mogliby wykorzystać białko grzybowe, by podczas zamrażania szybciej i równomierniej inicjować powstawanie kryształów. Mogłoby to prowadzić do:
- kremowych lodów bez zwiększonej zawartości tłuszczu czy cukru
- lepszej jakości mrożonego pieczywa po rozmrożeniu
- zachowania naturalnej tekstury mrożonych warzyw i owoców
- zmniejszenia strat jakościowych podczas przechowywania żywności w zamrażarce
