Codzienny grzyb z gleby skrywa zaskakującą supermoc
Pospolity grzyb glebowy kryje w sobie nieoczekiwaną zdolność: wytwarza białko, które potrafi błyskawicznie zamieniać wodę w lód.
Naukowcy odkryli u powszechnie występującego grzyba glebowego białko, które sprawia, że woda krystalizuje już tuż poniżej zera. Brzmi jak laboratoryjna ciekawostka, ale odkrycie to może mieć ogromne znaczenie dla wywoływania opadów deszczu, przechowywania narządów, a nawet produkcji mrożonej pizzy.
Białko grzybowe, które zamraża wodę w jednej chwili
Badanie prowadzone przez Borisa Vinatzer i Xiaofeng Wang z Virginia Tech skupia się na grzybach z rodziny Mortierellaceae. Żyją one w glebach na całym świecie i zazwyczaj interesują jedynie ekologów gleby. Teraz okazało się, że posiadają wyjątkową właściwość — wytwarzają białko działające jak „zarodek lodu".
Białko to funkcjonuje jako tak zwane jądro lodowe. Stanowi rodzaj platformy startowej, na której cząsteczki wody mogą ustawić się w regularną sieć krystaliczną. Dzięki temu woda zamarza już w około -2 stopniach Celsjusza, podczas gdy czysta woda bez żadnych zaburzeń może pozostawać w stanie ciekłym nawet przy znacznie niższych temperaturach. Zjawisko to nazywane jest przechłodzeniem.
Tam, gdzie zwykła woda spokojnie chłodzi się do temperatur poniżej zera, białko grzybowe pociąga za hamulec awaryjny i zmusza wodę do natychmiastowego tworzenia lodu.
Podobna właściwość była już znana u niektórych bakterii, takich jak Pseudomonas syringae — słynna „bakteria lodowa", która potrafi nasilać szkody mrozowe na uprawach. Nowością jest odkrycie odpowiednika u grzyba, którego cechy okazują się znacznie wygodniejsze w praktycznych zastosowaniach.
Dlaczego to grzybowe białko tak bardzo interesuje badaczy
Różnice w porównaniu z dobrze poznanymi białkami bakteryjnymi są kluczowe. U bakterii funkcja tworzenia lodu działa prawidłowo tylko wtedy, gdy białka są przymocowane do zewnętrznej powierzchni żywych komórek. Oznacza to konieczność pracy z kompletnymi, żywymi bakteriami — co jest kłopotliwe i rodzi pytania o bezpieczeństwo oraz regulacje prawne.
Białko grzybowe jest natomiast w pełni rozpuszczalne w wodzie i działa niezależnie od komórki, która je wyprodukowała. To sprawia, że jest znacznie łatwiejsze do:
- oczyszczenia w warunkach laboratoryjnych
- dozowania w kontrolowanych ilościach
- stosowania bez żywych mikroorganizmów
- integracji z istniejącymi systemami technologicznymi
Badacze opisali swoje wyniki w czasopiśmie Science Advances. Dzięki sekwencjonowaniu DNA i bioinformatyce zidentyfikowali dokładnie, który gen w genomie grzyba odpowiada za produkcję tego białka. Otwiera to drogę do jego wytwarzania na przykład przy użyciu drożdży lub innych mikroorganizmów przemysłowych.
Stary genetyczny pożyczka ze świata bakterii
Analiza genetyczna przyniosła jeszcze jedno zaskoczenie. Okazuje się, że gen odpowiedzialny za tworzenie lodu nie pochodzi pierwotnie od samego grzyba. Uderzające podobieństwa wskazują, że w odległej przeszłości został on „zapożyczony" od bakterii poprzez tak zwany horyzontalny transfer genów.
W tym procesie DNA przeskakuje z jednego organizmu do drugiego bez udziału rozmnażania. Zdarza się to dość często między bakteriami, ale między tak różnymi grupami organizmów jak bakterie i grzyby obserwuje się to znacznie rzadziej.
Grzyb nie wymyślił sam sztuczki szybkiego zamrażania wody — po prostu przejął ją od bakterii i przez miliony lat doskonalił.
Według obliczeń zespołu badawczego transfer ten nastąpił prawdopodobnie co najmniej kilkaset tysięcy lat temu, a może i znacznie wcześniej. Fakt, że grzyb zachował ten gen przez tak długi czas, sugeruje, że przynosi on realną korzyść w naturze — na przykład przy przeżywaniu w zimnych lub zmiennych środowiskach.
Od chmury po zamrażarkę: możliwe zastosowania
Ekologiczne wywoływanie opadów deszczu z biologicznymi jądrami lodowymi
Jedno z najbardziej ekscytujących zastosowań dotyczy tak zwanego siewu chmur. Polega to na wprowadzaniu substancji do chmur w celu stymulowania opadów deszczu lub śniegu — na przykład nad obszarami dotkniętymi suszą lub na stokach narciarskich. Obecnie meteorolodzy używają do tego celu jodku srebra, substancji nieorganicznej, wobec której organizacje ekologiczne od lat wyrażają poważne zastrzeżenia.
Białko grzybowe mogłoby teoretycznie przejąć tę rolę jako biologiczna alternatywa. Powoduje zamrażanie wody już przy lekkim mrozie i pochodzi od organizmu, który naturalnie występuje wszędzie w glebie. Na papierze czyni to z niego rozwiązanie znacznie przyjaźniejsze dla środowiska i zdrowia niż związki metaliczne.
Lepsza krioprezerwacja komórek, tkanek i zarodków
W medycynie i biotechnologii zachowanie podczas zamrażania odgrywa ogromną rolę. Przy przechowywaniu krwinek, komórek macierzystych, materiału do zapłodnienia i małych tkanek liczy się nie tylko temperatura, ale też to, jak dokładnie tworzy się lód. Jeśli woda zbyt długo pozostaje przechłodzona i zamarza dopiero późno, tworzą się duże, ostre kryształy.
Te grube kryształy mogą przebijać błony komórkowe jak odłamki szkła, powodując nieodwracalne uszkodzenia. Jeśli natomiast lód powstaje nieco wcześniej i w sposób kontrolowany, tworzą się znacznie mniejsze kryształy, które w mniejszym stopniu uszkadzają komórki.
Dzięki subtelnemu przesunięciu punktu zamrażania ku górze lekarze i technicy laboratoryjni mogą sterować strukturą kryształów lodu — a to decyduje o różnicy między żywymi a martwymi komórkami.
Białko grzybowe mogłoby więc stać się pomocnym narzędziem przy optymalizacji protokołów zamrażania w klinikach leczenia niepłodności, bankach krwi i biobankach. W połączeniu z istniejącymi substancjami krioochronnymi, takimi jak glicerol czy dimetylosulfotlenek, możliwe byłoby uzyskanie znacznie precyzyjniej kontrolowanego systemu.
Gładsze lody, lepszy chleb i mniej uszkodzeń w zamrażarce
Również w przemyśle spożywczym wielkość kryształów lodu odgrywa pierwszoplanową rolę. Duże kryształy sprawiają, że lody są twarde i ziarniste, chleb po rozmrożeniu staje się gąbczasty, a struktura warzyw ulega uszkodzeniu. Drobne kryształy dają natomiast kremową teksturę i znacznie lepiej zachowują strukturę produktów.
Producenci mogliby wykorzystać białko grzybowe, aby podczas zamrażania wcześniej i równomierniej inicjować tworzenie kryształów. Mogłoby to prowadzić do:
- kremowych lodów bez dodatkowego tłuszczu czy cukru
- lepszej jakości mrożonego pieczywa po rozmrożeniu
- zachowania naturalnej struktury mrożonych warzyw i owoców
- ogólnej poprawy jakości mrożonych produktów spożywczych
