Naukowcy odkryli grzyb, który potrafi zamrażać wodę niemal na żądanie

Grzyb glebowy z niezwykłą supermocą

Brzmi jak science fiction, a dzieje się w zwykłej glebie pod naszymi stopami. Pewien powszechnie występujący na całym świecie grzyb kryje w sobie wyjątkową strukturę białkową, która potrafi zamienić wodę w lód znacznie wcześniej, niż normalnie by to nastąpiło. To odkrycie może zrewolucjonizować eksperymenty pogodowe, technologie mrożenia żywności, a nawet medycynę — o ile uda się wyprodukować tę substancję na szeroką skalę.

Grzyb, który zamraża wodę już w -2 stopniach Celsjusza

W centrum nowego badania znajduje się rodzina grzybów o rozbudowanej nazwie Mortierellaceae. Żyją w glebie, są mikroskopijnie małe i zupełnie niepozorne — a mimo to posiadają zdolność, która wprawia naukowców w osłupienie. Zespół badaczy pod kierownictwem Borisa Vinatzer i Xiaofeng Wanga z Virginia Tech University odkrył w tych organizmach białko pełniące rolę sygnału startowego dla procesu tworzenia się lodu.

W normalnych warunkach bardzo czysta woda pozostaje ciekła nawet kilka stopni poniżej zera. Specjaliści określają to zjawisko mianem przechłodzenia lub nadchłodzenia. Brakuje po prostu zarodka krystalizacji — punktu, przy którym mogłyby się gromadzić pierwsze struktury lodowe. I właśnie tu wkracza białko grzybowe.

Struktura białkowa grzyba działa niczym rusztowanie: cząsteczki wody przyczepiają się do niej i układają w taki sposób, że kryształ lodu powstaje błyskawicznie — już w temperaturze około -2 stopni Celsjusza.

Dzięki temu punkt, w którym woda przechodzi w stan stały, przesuwa się wyraźnie w stronę wyższych temperatur. Dla przyrody to potężne narzędzie, a dla nauki — potencjalna rewolucja.

Dlaczego to białko jest tak wyjątkowe?

Biologicznie wspomagane tworzenie lodu nie jest zjawiskiem zupełnie nowym. Niektóre bakterie, na przykład Pseudomonas syringae, są znane z tego, że potrafią pokrywać powierzchnie lodem. Na liściach roślin mogą w ten sposób przyczyniać się do powstawania szkód mrozowych. Tam również w otoczce komórkowej siedzą specjalne białka nukleujące lód.

Jednak odkrycie grzybowe wyraźnie się od tego odróżnia. Oto kluczowe różnice:

• Rozpuszczalność w wodzie: Białko rozpuszcza się w wodzie i zachowuje przy tym aktywność.
• Niezależność od żywych komórek: Działa nawet wtedy, gdy komórki grzyba zostają zniszczone.
• Łatwiejsza obsługa: Można je teoretycznie filtrować, dozować i stosować w różnych środowiskach.

W przypadku białek bakteryjnych ich działanie zazwyczaj zależy od tego, czy cała komórka pozostaje nienaruszona. To znacznie utrudnia zastosowanie praktyczne — na przykład w instalacjach technicznych czy w medycynie. Wariant grzybowy jest znacznie bardziej elastyczny, co stanowi wyraźną przewagę przy ewentualnych zastosowaniach poza laboratorium.

Genetyczny trik sprzed setek tysięcy lat

Skąd grzyb w ogóle wziął to niezwykłe narzędzie? Odpowiedź kryje się w genomie. Zespół przeanalizował DNA Mortierellaceae i natrafił na wyraźny ślad: odpowiedni fragment genu nie pochodzi z oryginalnej linii grzybowej.

Wszystko wskazuje na tzw. horyzontalny transfer genów. W tym procesie organizm przejmuje materiał genetyczny zupełnie innej formy życia — w tym przypadku od pewnego gatunku bakterii. Zgodnie z wynikami badania zdarzenie to miało miejsce setki tysięcy, a może nawet miliony lat temu.

Grzyb najwyraźniej przejął podstawy mechanizmu tworzenia lodu od bakterii — a następnie udoskonalił go w toku ewolucji.

Takie transfery zdarzają się w przyrodzie, jednak między tak odległymi grupami jak bakterie i grzyby są rzadkością. Tym bardziej zaskakujące jest to, że Mortierellaceae nie tylko zachowały ten genetyczny „obcy element", ale najwyraźniej aktywnie go wykorzystały i ulepszyły.

Szansa dla technologii klimatycznych i eksperymentów pogodowych

Jednym z pierwszych pomysłów płynących z badań jest zastosowanie w tzw. zasiewaniu chmur. Polega ono na wprowadzaniu substancji do chmur w celu wywołania deszczu lub śniegu — najczęściej przy użyciu jodku srebra, związku chemicznego, który regularnie budzi kontrowersje.

Białko grzybowe mogłoby stanowić biodegradowalną alternatywę. Rozproszone w drobnych cząstkach w chmurach działałoby jak biologiczny wyzwalacz zamrażania. Kropelki wody krystalizowałyby szybciej, a opady mogłyby powstawać w bardziej kontrolowany sposób.

Potencjalne korzyści sięgają od ukierunkowanych opadów deszczu w suchych regionach po próby osłabienia burzowych gradów. Jednocześnie pojawiają się nowe pytania:

• Jak stabilne pozostaje białko na dużych wysokościach?
• Jak szybko ulega rozkładowi w środowisku?
• Jakie ilości byłyby potrzebne do uzyskania mierzalnych efektów?

Te kwestie pozostają na razie otwarte. Jedno jest pewne: perspektywa posiadania nietrujących, naturalnych środków cieszy się rosnącym zainteresowaniem meteorologów i inżynierów zajmujących się sterowaniem klimatem.

Łagodniejsze zamrażanie w medycynie i bankach biologicznych

Ogromny potencjał dostrzegają specjaliści również w dziedzinie krioprezerwacji. Kliniki, laboratoria badawcze i banki nasienia przechowują komórki, próbki tkanek lub zarodki w bardzo niskich temperaturach. Główne zagrożenie nie pochodzi jednak od samnego zimna, lecz od rosnących kryształów lodu.

Gdy woda wokół komórki zamarza bardzo późno, tworzą się zazwyczaj gruboziarniste kryształy. Działają one jak miniaturowe ostrza, rozrywając błony komórkowe i delikatne struktury wewnętrzne. Białko, które powoduje zamarzanie wody tuż poniżej zera, zmienia tę grę:

Wcześniejsze zamarzanie oznacza w tym przypadku więcej, ale znacznie mniejszych kryształów — a co za tym idzie, potencjalnie mniejsze uszkodzenia żywych komórek.

W połączeniu z klasycznymi substancjami ochronnymi, takimi jak gliceryna czy dimetylosulfotlenek, mogłyby powstać nowe standardowe protokoły. Szczególnie interesujące byłoby to w przypadku:

• Komórek macierzystych krwi i próbek szpiku kostnego
• Medycyny rozrodczej, na przykład przy przechowywaniu komórek jajowych i plemników
• Długoterminowego przechowywania rzadkich linii komórkowych i organoidów

Lepsza mrożonka i kremowsze lody?

Branża spożywcza również przygląda się temu odkryciu z dużym zainteresowaniem. Przy zamrażaniu żywności to właśnie wielkość kryształów lodu w decydującym stopniu wpływa na smak i konsystencję produktu. Duże kryształy niszczą strukturę komórkową warzyw, mięsa i owoców. Po rozmrożeniu produkty stają się wodniste lub włókniste.

Jeśli białko zdoła sprawić, że już przy stosunkowo wysokich ujemnych temperaturach tworzy się wiele drobnych kryształów, struktura produktów wyraźnie się poprawi. Lody pozostaną kremowe, mrożone warzywa zachowają świeżość, a nawet chleb i pieczywo zyskają delikatniejszy miąższ po rozmrożeniu.

Nie obędzie się jednak bez przeszkód. Konsumenci są wrażliwi na dodatki o skomplikowanych nazwach, nawet jeśli pochodzą z naturalnych źródeł. Firmy musiałyby jasno wyjaśnić, czym jest to białko, jak jest pozyskiwane i że stanowi biologiczne narzędzie — a nie sztuczny koktajl chemiczny.

Największe wyzwanie: produkcja na masową skalę

Na razie białko grzybowe pozostaje fenomenem laboratoryjnym. Aby trafiło do chmur, roztworów mrozoochronnych czy przemysłowych maszyn do mrożenia, potrzebne są niezawodne ścieżki produkcji. Badacze wskazują kilka możliwości:

• Hodowla grzybów w fermentorach i następnie oczyszczanie białka.
• Wbudowanie odpowiedniego genu do bakterii lub drożdży, które są łatwiejsze do kultywowania w skali przemysłowej.
• Opracowanie sztucznych wariantów białka, które można wyprodukować taniej i stabilniej.

Każda z tych dróg niesie własne ryzyko — zanieczyszczenia, koszty i kwestie regulacyjne. Zwłaszcza przy zastosowaniach środowiskowych i medycznych organy regulacyjne bardzo dokładnie sprawdzają, co jest uwalniane lub podawane.

Jak działa „zarodek lodowy" na poziomie molekularnym?

Aby lepiej zrozumieć działanie tego białka, warto spojrzeć na fizykę tego zjawiska. Cząsteczki wody nieustannie się poruszają. Podczas zamarzania układają się w regularny, krystaliczny wzór. Bez punktu startowego pozostają nieuporządkowane nawet przez dłuższy czas poniżej zera stopni.

Białko grzybowe dostarcza właśnie tej struktury startowej. Jego powierzchnia posiada obszary, do których cząsteczki wody przyłączają się w taki sposób, że błyskawicznie powstaje stabilny wzór. Gdy tylko pierwszy kryształ się uformuje, reszta narasta niemal samoczynnie.

Nowe pytania o bezpieczeństwo i środowisko

Każde zastosowanie biotechnologiczne niesie ze sobą odpowiedzialność. Gdyby białko było stosowane na szeroką skalę, pojawia się pytanie, czy mogłoby przedostać się do naturalnych obiegów wody. Czy mogłoby to nieumyślnie zakłócić procesy zamarzania w glebach lub chmurach?

Specjaliści domagają się przeprowadzenia gruntownych testów w zamkniętych systemach, zanim substancja trafi do wolnej przyrody. W zastosowaniach medycznych konieczne jest dodatkowo sprawdzenie możliwych reakcji immunologicznych lub działania alergizującego. Fakt, że białko pochodzi z powszechnie występującego grzyba glebowego, jest plusem — ale nie zastępuje badań bezpieczeństwa.

Grzyb jako skrzynka narzędziowa dla techniki i medycyny

To odkrycie pokazuje, jak ogromny niewykorzystany potencjał drzemie w niepozornych organizmach. Zwykły mieszkaniec gleby dysponuje precyzyjną funkcją, która pozwala przesuwać granicę między ciekłą wodą a twardym lodem. Dla nauki otwiera się tym samym szerokie pole — od sterowania klimatem, przez logistykę mrożenia, aż po nowoczesną medycynę.

To, jak bardzo to odkrycie rzeczywiście zmieni nasze codzienne życie, zależy od dwóch kwestii: czy białko da się produkować w opłacalny sposób oraz czy oceny bezpieczeństwa dla środowiska i zdrowia wypadną pomyślnie. Dopiero gdy obie te kwestie zostaną wyjaśnione, niepozorne białko grzybowe może stać się jednym z najbardziej fascynujących narzędzi stosowanej technologii chłodzenia.