En uanselig svamp fra havejorden gemmer på en bemærkelsesværdig evne
En helt almindelig svampart, der lever i normal havejord, behersker isdannelse på en måde, der kan revolutionere både industri og meteorologi. Forskere har opdaget, at den producerer et protein, som er i stand til at fryse rent vand næsten øjeblikkeligt.
Forskere fra Virginia Tech har identificeret et protein, der kan få rent vand til at fryse næsten med det samme — allerede ved få graders frost. Hvis det lykkes at fremstille det billigt, kan meteorologi, medicin, landbrug og fødevareindustrien alle drage nytte af opdagelsen.
Mortierellaceae: Den svampefamilie der er overalt under dine fødder
Svampe fra familien Mortierellaceae hører til de mest udbredte jordorganismer — de findes i skove, på marker og i din egen have. I deres genom opdagede forskerne et gen, der koder for et usædvanligt protein, som fungerer som en udløser for frysning af vand. Denne egenskab kan fundamentalt ændre måden, vi arbejder med køleteknik, beskyttelse af biologisk materiale og endda vejrpåvirkning.
Svampeprotein fryser vand ved minus to grader Celsius
Holdet ledet af Boris Vinatzer og Xiaofeng Wang satte fokus på svampe fra familien Mortierellaceae. Disse organismer findes praktisk talt overalt — i almindelig havejord, i skovkanter og midt i landbrugslandskaber. Deres genom indeholder et gen for et protein, der fungerer som initiator for frysning.
Under normale omstændigheder kan rent vand uden urenheder forblive flydende selv under frysepunktet. Fysikere har længe været fascineret af fænomenet underkøling, hvor temperaturen falder, men iskrystaller endnu ikke dannes, fordi der mangler en overflade at organisere sig på. Det er præcis det, svampeproteinet leverer: det skaber et slags stillads, hvor vandmolekylerne arrangerer sig i en regelmæssig struktur, og is dannes allerede omkring minus to grader Celsius.
Forskerne beskriver, at proteinet opfører sig som en skabelon for iskrystaller. Så snart underkølet vand befinder sig i nærheden, forløber overgangen til fast stof overraskende hurtigt. Sammenlignet med andre kendte mekanismer er dette system bemærkelsesværdigt effektivt og forudsigeligt.
Hvorfor svampeversionen er overlegen i forhold til bakterier
Hidtil har man primært forbundet denne slags evne med bakterier, særligt arten Pseudomonas syringae. Disse bakterier anvendes blandt andet i forskning i kunstigt fremkaldte nedbør. Men bakterielle proteiner har en afgørende begrænsning: de skal som regel forblive forbundet med en levende, intakt celle for at fungere.
Proteiner fra svampen opfører sig anderledes. Det er vandopløseligt og virker effektivt adskilt fra den celle, der producerede det. Det betyder, at man kan:
- isolere det og opbevare det i opløsning
- tilsætte det til vand eller andre væsker som et almindeligt tilsætningsstof
- teste det under de mest varierede forhold uden bekymring for organismens overlevelse
- anvende det i industriel skala med minimal forberedelse
- kombinere det med andre stoffer efter behov
Denne fleksibilitet giver biologer og ingeniører langt større muligheder for praktisk udnyttelse end de bakterielle varianter. Vandopløseligheden betyder, at proteinet nemt kan doseres og blandes med andre komponenter, hvilket åbner vejen for en bred vifte af innovationer.
Et gen lånt fra bakterier for millioner af år siden
DNA-analysen af svampen fra familien Mortierellaceae viste, at genet, der koder for isinitiationsprotein, ikke er en del af dens oprindelige genetiske udstyr. Alt tyder på, at det blev overtaget fra bakterier via såkaldt horisontal genoverførsel.
I en sådan proces springer et fragment genetisk materiale mellem evolutionært fjerne organismer — uden klassisk arv fra forælder til afkom. Det er som pludselig at uploade et fremmed program til en anderledes designet computer. Forskerne anslår, at denne genetiske låntagning kan have fundet sted for hundredtusinder, måske millioner af år siden, og at svampene siden har forfinet det efter egne præmisser.
Hvis genet har overlevet så længe, giver det sandsynligvis svampen konkrete fordele. Måske hjælper det den med at overleve i områder, hvor jorden ofte fryser, påvirker kontakten med vand i mikroskopiske rum mellem lerpartikler, eller ændrer forholdet til andre mikroorganismer i økosystemet. Forskere fra Virginia Tech undersøger nu de præcise mekanismer, som proteinet opererer efter på molekylært niveau.
Fra skyer til vævsbiobanker — her kan proteinet gøre en forskel
Et af de primære anvendelsesområder, som studiets forfattere nævner, er såkaldt skyseeding — en teknik til at fremkalde regn eller sne. I dag bruges der blandt andet sølvjodid til dette formål, et stof der ganske vist er effektivt, men ikke helt ufarligt for miljøet og ofte anledning til diskussion.
Et svampeprotein som en biologisk nedbrydelig molekyle kunne i fremtiden erstatte sådanne kemikalier. I teorien ville man blot skulle sprøjte en opløsning indeholdende proteinet ud i skyer for at lette dannelsen af iskrystaller og dermed nedbør. For tørkeramte regioner ville dette være en interessant mulighed, selvom spørgsmålet om etik ved vejrstyring og mulige bivirkninger for naboomrAder stadig melder sig.
Det andet store område, hvor proteinet kan gøre en forskel, er kryopræservering — bevarelse af celler, embryoner, væv eller frø ved lave temperaturer. Hovedproblemet ved disse processer er, at hvis vandet omkring cellerne fryser for sent, dannes der store, skarpe iskrystaller, der bogstaveligt talt flår biologiske strukturer i stykker.
Starter frysningen lidt tidligere, bliver krystallerne mindre og mere ensartede, så de ikke beskadiger cellerne så aggressivt. Svampeproteinet kan fungere netop på denne måde: det bestemmer startpunktet for isen, så hele processen forløber roligere og mere forudsigeligt. Det er et værdifuldt perspektiv for cellebanker, fertilitetsklinikker og centre, der opbevarer genetisk materiale fra truede arter.
Bedre kvalitet af frosne grøntsager og kød takket være iskontrol
Størrelsen på iskrystaller er også afgørende i fødevareprodukter. Enhver, der har spist is fuld af hårde klumper eller kød med ødelagt struktur efter optøning, kender dette problem fra sit eget køkken. Fødevareindustrien har i årevis brugt forskellige metoder til hurtig frysning for at begrænse krystalvækst.
Tilsætning af et isinitiationsprotein kunne kontrollere denne proces endnu mere præcist. Resultatet kunne for eksempel være:
- is med en glattere, cremede konsistens
- frosne frugter, der falder mindre fra hinanden efter optøning
- fisk og kød med en mere naturlig struktur efter forarbejdning
- grøntsager, der bevarer farve og smag selv efter måneder i fryseren
- færdigretter med bedre tekstur efter opvarmning
- reduceret madspild takket være bedre frysekvalitet
For producenter af frosne fødevarer ville det betyde mulighed for at tilbyde produkter af højere kvalitet uden at investere i dyre frysningsanlæg. Forbrugerne ville få mad, der efter optøning ser ud og smager næsten som frisk.
Sådan kan proteinet produceres i stor skala
Selvom forskningsresultaterne ser lovende ud på laboratorieniveau, er vejen til reelle anvendelser lang. Proteinet skal produceres i enorme mængder til omkostninger, der er acceptable for landbrug, fødevareindustri eller medicin. Den største hindring er netop industriel fremstilling.
Teoretisk er der flere måder at gøre det på. Forskere kan indsætte genet i gær eller bakterien Escherichia coli, som derefter producerer proteinet i fermentatorer. En anden mulighed er at dyrke selve svampene fra familien Mortierellaceae i specielle bioreaktorer og isolere proteinet fra dem. Nogle teams undersøger også syntetisk produktion via kemiske metoder.
Hertil kommer regulatoriske spørgsmål: anvendelse i skyer, i medicin eller i fødevarer kræver forskellige og ofte meget strenge sikkerhedstest. Det faktum, at proteinet stammer fra en naturlig kilde, garanterer ikke automatisk fuld accept fra tilsynsmyndigheder. Forskere fra Virginia Tech samarbejder med myndighederne for at fremskynde godkendelsesprocessen mest muligt.
Hvad denne opdagelse lærer os om is og livet i jordbunden
Historien om svampeproteinet forbinder fysik og biologi på fascinerende vis. Frysning fremstilles ofte som en rent fysisk proces afhængig af temperatur og tryk. Her ser man, at levende organismer kan gribe ind i denne proces med meget specifikke, højt specialiserede molekyler.
For biologer er det et signal om, at andre tilsyneladende rent fysiske fænomener i omgivelserne måske har tilsvarende versioner styret af mikroorganismer. Muligvis fungerer der hele sæt af proteiner i jord, atmosfære eller oceaner, som hjælper organismer med at tilpasse sig ekstreme temperaturer, tørke eller varierende fugtighed. Forskere fra universiteter verden over er allerede begyndt at undersøge lignende systemer hos andre svampe og bakterier.
Fra et praktisk synspunkt er det værd at forklare selve underkølingsfænomenet, da mange mennesker støder på det derhjemme. Nogle gange ser en drikkevare i en flaske i fryseren ud til at være flydende, men efter et let bank begynder den pludselig at forvandle sig til is — det er netop et eksempel på spontan overgang af underkølet vand til fast stof, når det møder en passende udløser.
Proteinet beskrevet af holdet fra Virginia Tech udfylder i en vis forstand rollen som netop sådan en udløser — blot ekstremt præcist og forudsigeligt. Videnskaben forsøger nu at omsætte dette naturtrick til et redskab, der kan bruges i skyer, reagensglas og industrielle fryseanlæg, uden at miste det økologiske og etiske overblik. Måske vil du snart se dette protein i produkter, du bruger hver dag.
