En uanselig jordsvamp viser sig at være ismester
En tilsyneladende helt ordinær svamp, der lever i almindelig jord, har vist sig at besidde en bemærkelsesværdig evne til at kontrollere is. Forskere mener, at den kunne revolutionere den måde, vi håndterer vand og frysning på.
Forskere fra Virginia Tech har identificeret et protein, der får rent vand til at fryse næsten øjeblikkeligt — allerede ved mild frost. Hvis det lykkes at producere det billigt, kan det finde anvendelse inden for meteorologi, medicin, landbrug og fødevareindustri.
En havesvamp der fremskynder isdannelsen
Holdet ledet af Boris Vinatzer og Xiaofeng Wang satte fokus på svampe fra familien Mortierellaceae. De hører til de mest udbredte jordorganismer — de findes i skove, på marker og i haverne rundt om husene. I deres arvemasse fandt forskerne et gen, der koder for et usædvanligt protein, som fungerer som igangsætter for vandets frysning.
Under normale omstændigheder kan rent vand uden urenheder forblive flydende selv under nul grader. Fysikere har længe været fascinerede af fænomenet underkøling, hvor temperaturen falder, men iskrystaller endnu ikke dannes, fordi de mangler et “stillads” at vokse på.
Det er præcis det, svampens protein leverer: det skaber en overflade, hvor vandmolekyler ordner sig i en regelmæssig struktur, så is dannes allerede ved cirka -2 °C. Forskerne beskriver proteinet som en skabelon for iskrystaller. Så snart underkølet vand befinder sig i nærheden, begynder overgangen til fast form overraskende hurtigt.
Derfor er svampens version af proteinet så exceptionelt
Indtil nu har man primært forbundet denne evne med bakterier, særligt arten Pseudomonas syringae, som blandt andet bruges i forskning om kunstigt fremkaldte nedbør. Men bakterielle proteiner har en væsentlig begrænsning: de skal normalt forblive forbundet med en levende, intakt celle for at virke.
Proteinet fra svampen opfører sig anderledes. Det er vandopløseligt og fungerer effektivt adskilt fra den celle, der producerede det. Det betyder, at det kan:
- isoleres og opbevares i opløsning
- tilsættes vand eller andre væsker som et almindeligt tilsætningsstof
- testes under vidt forskellige forhold uden bekymring for organismens overlevelse
- opbevares ved stuetemperatur i en periode
- kombineres med andre stoffer
Denne fleksibilitet i anvendelsen gør, at biologer og ingeniører ser et langt større praktisk potentiale i det end i bakterielle proteiner.
Et gen lånt fra bakterier for meget længe siden
En DNA-analyse af svampen fra familien Mortierellaceae viste, at det gen, der koder for frysningsinitierende protein, ikke er en del af dens oprindelige genetiske udstyr. Alt tyder på, at det blev overtaget fra bakterier via såkaldt horisontal genoverførsel.
I denne proces hopper et stykke genetisk materiale mellem evolutionært fjerne organismer — uden klassisk arv fra forælder til afkom. Det minder om pludselig at uploade et fremmed program til en computer, der er designet til noget helt andet.
Forskerne anslår, at dette “genetiske lån” kan have fundet sted for hundredtusinder, måske endda millioner af år siden, hvorefter svampen begyndte at forfine genet efter egne behov. Eftersom genet har holdt sig så længe, giver det sandsynligvis svampen konkrete fordele — måske hjælper det den med at overleve i områder, hvor jorden tit fryser, påvirker kontakten med vand i mikroskopiske mellemrum mellem jordpartikler eller ændrer forholdet til andre mikroorganismer i økosystemet.
Fra skyer til celleopbevaring — hvor kan proteinet bruges?
Et af de centrale anvendelsesområder, som studiets forfattere nævner, er såkaldt skyfrøning — en teknik til at fremkalde regn eller sne. I dag bruges blandt andet sølvjodid til dette formål, et stof der virker, men er problematisk for miljøet og skaber debat.
Svampeproteinet er en biologisk molekyle, der nedbrydes naturligt, og kunne én dag erstatte disse kemikalier. Teoretisk set ville det blot kræve at sprøjte en proteinholdig opløsning ind i skyer for at lette dannelsen af iskrystaller og efterfølgende nedbør.
For tørkeramte regioner ville det være en interessant mulighed, selv om spørgsmål om etikken bag “vejrkontrol” og mulige sideeffekter på naboregioner melder sig.
Sikrere frysning af celler og væv
Et andet område, hvor proteinet kunne 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 flår biologiske strukturer i stykker.
Initieres frysningen lidt tidligere, bliver krystallerne mindre og mere ensartede, og skader dermed cellerne langt mindre aggressivt. Svampeproteinet kan virke på præcis den måde: det “bestemmer” det øjeblik, isen starter, så hele processen forløber roligere og mere forudsigeligt. Det er et værdifuldt perspektiv for cellbanker, fertilitetsklinikker og centre, der bevarer genetisk materiale fra truede arter.
Inden for medicinen kunne et sådant protein forbedre succesraten for organtransplantationer. Forskere fra universiteter verden over undersøger, hvordan præcis kontrol af isdannelse påvirker vævenes overlevelse efter optøning.
Bedre kvalitet i frosne fødevarer
Størrelsen på iskrystaller er også afgørende for fødevareprodukter. Enhver, der har spist is fuld af hårde klumper eller kødet med ødelagt struktur efter optøning, kender problemet fra eget køkken.
I fødevareindustrien bruges allerede forskellige hurtigfrysningsmetoder for at begrænse krystalvækst. At tilsætte et frysningsinitierende protein ville kunne styre denne proces endnu mere præcist. Resultatet kunne eksempelvis blive:
- is med en glattere, cremere konsistens
- frosne frugter, der falder mindre fra hinanden efter optøning
- fisk og kød med en mere naturlig struktur efter forarbejdning
- grøntsager med bedre smag og næringsindhold
- færdigretter med højere kvalitet efter opvarmning
- desserter med en finere tekstur
Den største forhindring — storskaleret produktion af proteinet
Selvom forskningsresultaterne ser lovende ud på laboratoriebasis, er vejen til praktiske anvendelser lang. Proteinet skal produceres i enorme mængder til omkostninger, der er acceptable for landbrug, fødevareindustri eller medicin.
Teoretisk kan det lade sig gøre på flere måder. Man kan genetisk modificere gær eller bakterier til at producere proteinet i fermenteringstanke, ligesom insulin produceres i dag. En anden mulighed er at dyrke genetisk modificerede planter, der fungerer som “fabrikker” for proteinet. En tredje variant er direkte kemisk syntese i laboratoriet — men det er foreløbig dyrt.
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 naturen, garanterer ikke automatisk fuld accept fra tilsynsmyndigheder. Både European Food Safety Authority og den amerikanske Food and Drug Administration vil kræve omfattende studier.
Hvad det lærer os om is og om livet
Historien om svampeproteinet forbinder fysik og biologi på fascinerende vis. Frysning præsenteres ofte 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 præcise, specialiserede molekyler.
For biologer er det et signal om, at andre tilsyneladende “rent fysiske” fænomener i miljøet kan have modstykker, der kontrolleres af mikroorganismer. Måske fungerer der hele sæt af proteiner i jord, atmosfære eller oceaner, som hjælper organismer med at tilpasse sig ekstreme temperaturer, tørke eller varierende fugtighed.
Fra et praktisk perspektiv er selve underkølingsfænomenet værd at forstå, for mange mennesker oplever det faktisk derhjemme. Sommetider ser en flaske i fryseren ud til at indeholde flydende vand, men efter et let stød begynder den pludselig at forvandle sig til is — det er et eksempel på spontan overgang fra underkølet vand til fast tilstand, når det møder den rette udløser.
Proteinet beskrevet af holdet fra Virginia Tech udfylder i en vis forstand rollen som en sådan udløser — blot én der er usædvanligt præcis og forudsigelig. Videnskaben forsøger nu at omsætte dette naturens trick til et redskab, der kan bruges i skyer, reagensglas og industrielle fryseanlæg, uden at den økologiske og etiske fornuft går tabt undervejs.
