En uanselig organisme fra havejorden kan kontrollere frysning på en måde, der kan revolutionere meteorologi, medicin og fødevareindustrien
Forskere fra Virginia Tech har identificeret et protein, der får rent vand til at fryse næsten øjeblikkeligt allerede ved en svag frost. Hvis det lykkes at producere det billigt, kan det finde anvendelse inden for meteorologi, medicin, landbrug og fødevareindustrien.
Holdet ledet af Boris Vinatzer og Xiaofeng Wang koncentrerede sig om svampe fra familien Mortierellaceae. De hører til blandt de mest udbredte organismer i jordbunden — du finder dem i skove, på marker og i din egen have. I deres genom opdagede forskerne et gen, der koder for et bemærkelsesværdigt protein, som fungerer som en udløser for vandfrysning.
Svampeproteinet fungerer som en skabelon for iskrystaller
Under normale omstændigheder kan rent vand uden urenheder forblive flydende selv under nul grader Celsius. Fysikere har længe været fascinerede af fænomenet kaldet underafkøling, hvor temperaturen falder, men iskrystaller endnu ikke dannes, fordi de mangler et “stillads” til strukturen. Det er præcis det, som svampeproteinet leverer: det skaber en overflade, hvorpå vandmolekyler arrangerer sig og danner is allerede ved omkring minus to grader Celsius.
Forskerne beskriver, at proteinet opfører sig som en forlæg for iskrystaller. Så snart underafkølet vand befinder sig i dets nærhed, forløber overgangen til fast tilstand overraskende hurtigt. Molekylerne ordner sig efter proteinets struktur, og isen dannes nærmest øjeblikkeligt.
Hidtil har lignende egenskaber primært været forbundet med bakterier, især arten Pseudomonas syringae, der blandt andet bruges i forskning om kunstig nedbørsfremkaldelse. Bakterielle proteiner har dog en væsentlig begrænsning: de skal som regel forblive forbundet med en levende, ubeskadiget celle for at fungere.
Proteinet fra svampen opfører sig anderledes. Det er vandopløseligt og virker effektivt adskilt fra den celle, der producerede det. Det betyder, at du kan:
- isolere og opbevare det i opløsning
- tilsætte det til vand eller andre væsker som en almindelig ingrediens
- teste det under forskellige forhold uden bekymring for organismens overlevelse
- anvende det i industriel skala uden at dyrke levende kulturer
- kombinere det med andre stoffer til specifikke anvendelser
- transportere det uden særlige biologiske krav
Denne fleksibilitet betyder, at biologer og ingeniører ser et langt større praktisk potentiale i det end i bakterielle alternativer. Vandopløseligheden åbner muligheder, der tidligere var utilgængelige.
Hvordan svampen fik fat i et gen, der oprindeligt tilhørte bakterier
En DNA-analyse af svampe fra familien Mortierellaceae viste, at genet, der koder for frysningsudløsende protein, ikke er en del af svampens oprindelige genetiske arsenal. Alt tyder på, at det er overtaget fra bakterier via såkaldt horisontal genoverførsel.
I en sådan proces springer et fragment af genetisk materiale mellem evolutionært fjerne organismer — uden klassisk arv fra forælder til afkom. Det er som at uploade et fremmed program til en anderledes konstrueret computer. Forskerne anslår, at denne “genetiske låning” kan have fundet sted for hundredetusinder, måske endda millioner af år siden, hvorefter svampene begyndte at forfine det efter egne regler.
Hvis genet har overlevet så længe, giver det sandsynligvis svampen konkrete fordele. Måske hjælper det den med at overleve i områder, hvor jordbunden ofte fryser, påvirker kontakten med vand i mikroskopiske rum mellem jordpartikler eller ændrer relationerne til andre mikroorganismer i økosystemet. Forskerne fra Virginia Tech fortsætter studiet af de evolutionære mekanismer, der muliggjorde denne tilpasning.
Hvor kan evnen til at styre is bruges i praksis?
En af de primære retninger, som forskerne bag undersøgelsen fremhæver, er såkaldt skysåning — en teknik til at fremkalde regn eller sne. I dag anvendes blandt andet sølvjodid til dette formål, et effektivt stof der dog ikke er ligegyldigt for miljøet og vækker debat.
Svampeprotein, som en biologisk nedbrydelig molekyle, kunne en dag erstatte sådanne kemikalier. Teoretisk set ville det være tilstrækkeligt at sprede en opløsning med proteinet ud i skyer for at lette dannelsen af iskrystaller og efterfølgende nedbør. For regioner, der kæmper med tørke, ville det være en interessant mulighed, selvom der også opstår spørgsmål om etikken ved “vejrstyring” og mulige bivirkninger for naboomåder.
Et andet område, hvor proteinet kan gøre en stor forskel, er kryopræservering — opbevaring af celler, embryoner, væv eller frø ved lave temperaturer. Hovedproblemet i disse processer er, at hvis vandet omkring cellerne fryser for sent, dannes der store, skarpe iskrystaller, der bogstaveligt talt river biologiske strukturer i stykker.
Hvorfor iskrystallers størrelse er afgørende for celler og fødevarer
Hvis frysningen sættes i gang lidt tidligere, bliver krystallerne mindre og mere ensartede, og de skader cellerne langt mindre aggressivt. Proteinet fra svampen kan fungere netop på denne måde: “fortælle” isen, hvornår den skal starte, 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. Forskere fra universiteter i Connecticut og Californien tester allerede lignende tilgange på væv.
Iskrystallers størrelse er også afgørende i fødevarer. Enhver, der har spist is med hårde klumper eller kød med ødelagt struktur efter optøning, kender problemet fra sin eget køkken. Inden for fødevareindustrien har man i årevis brugt forskellige hurtigfrysningsmetoder for at begrænse krystalvæksten.
Tilsætning af frysningsudløsende protein kunne kontrollere denne proces endnu mere præcist. Resultatet ville eksempelvis være:
- is med en glattere, cremet konsistens
- frosne frugter, der falder mindre fra hinanden efter optøning
- fisk og kød med en mere naturlig struktur efter forarbejdning
- frosne grøntsager, der bevarer vitaminer og tekstur
- færdigretter med bedre sensoriske egenskaber
- produkter med længere holdbarhed uden kvalitetstab
- lavere energiforbrug i frysningsprocesser
Den største udfordring: at producere proteinet i enorme mængder
Selvom forskningsresultaterne ser lovende ud på laboratorieniveau, er vejen til reelle anvendelser lang. Proteinet skal produceres i store mængder og til omkostninger, der er acceptable for landbrug, fødevareindustri og medicin.
Teoretisk kan det gøres på flere måder. Den første mulighed er at genmodificere bakterier eller gær, så de producerer svampeproteinet i fermentorer, på samme måde som insulin fremstilles i dag. Den anden vej er direkte dyrkning af svampe fra familien Mortierellaceae i bioreaktorer og ekstraktion af proteinet fra deres biomasse. Den tredje mulighed er kemisk syntese, hvis det lykkes at kortlægge molekylets struktur præcist.
Hertil kommer regulatoriske spørgsmål: anvendelse i skyer, i medicin eller i fødevarer kræver forskellige, ofte meget strenge sikkerhedsprøvninger. Den blotte kendsgerning, at proteinet er af naturlig oprindelse, garanterer ikke automatisk fuld accept fra tilsynsmyndigheder. Den Europæiske Fødevaresikkerhedsautoritet eller den amerikanske FDA vil kræve omfattende data.
Forskerne fra Virginia Tech samarbejder med bioteknologiske virksomheder om optimering af produktionsprocesserne. Målet er at reducere omkostningerne til et niveau, der muliggør kommerciel anvendelse inden for fem til ti år.
Hvad svampeproteinet fortæller os om liv og fysiske processer
Historien om dette protein forbinder fysik og biologi på en fascinerende måde. Vi forestiller os ofte frysning som en rent fysisk proces, der afhænger af temperatur og tryk. Her ser man, at levende organismer kan gribe ind i denne proces med meget specifikke, specialiserede molekyler.
For biologer er det et signal om, at yderligere tilsyneladende “rent fysiske” fænomener i omgivelserne kan have modstykker kontrolleret af mikroorganismer. Måske fungerer der hele sæt af proteiner i jordbunden, atmosfæren eller havene, der hjælper organismer med at tilpasse sig ekstreme temperaturer, tørke eller varierende fugtighed. Forskere fra Max Planck Instituttet har allerede fundet lignende mekanismer hos havalgerne.
Fra et praktisk synspunkt er selve underafkølningsfænomenet værd at forklare, fordi mange støder på det derhjemme. Sommetider ser en flaske drikkevarer i fryseren ud til at være flydende, men efter et let slag begynder den pludselig at forvandles til is — det er netop et eksempel på spontan overgang af underafkølet vand til fast form, når det møder en passende impuls.
Proteinet beskrevet af holdet fra Virginia Tech udfylder på en måde rollen som netop en sådan impuls — blot ekstremt præcist og forudsigeligt. Videnskaben forsøger nu at omsætte dette naturlige trick til et redskab, der kan bruges i skyer, reagensglas og industrielle frysehuse, uden at miste den økologiske og etiske fornuft undervejs. Måske vil du snart opleve denne teknologi i praksis.
