En oansenlig organism från trädgårdsjorden kan styra frysning på ett sätt som kan revolutionera meteorologi, medicin och livsmedelsindustrin
Forskare från Virginia Tech har lyckats identifiera ett protein som omvandlar rent vatten till is nästan ögonblickligt redan vid lätt minusgrader. Om man kan producera det till rimliga kostnader, öppnas möjligheter inom allt från väderprognoser till matförvaring och avancerad cellkonservering.
Teamet under ledning av Boris Vinatzer och Xiaofeng Wang fokuserade på svampar från familjen Mortierellaceae. De tillhör de vanligaste organismerna i marken — du hittar dem i skogar, på åkrar och i din egen rabatt. I deras genom upptäckte forskarna en gen som kodar för ett anmärkningsvärt protein, vilket fungerar som en utlösare för vattnets övergång till is.
Svampproteinet fungerar som en mall för iskristaller
Under normala förhållanden kan rent vatten utan föroreningar förbli flytande även under noll grader Celsius. Fysiker har länge fascinerats av fenomenet som kallas underkylning, där temperaturen sjunker men iskristaller ännu inte bildas eftersom de saknar ett ”byggnadsställning” för strukturen. Det är exakt vad svampproteinet tillhandahåller: det skapar en yta på vilken vattenmolekyler ordnar sig och bildar is redan vid cirka minus två grader Celsius.
Forskarna beskriver att proteinet beter sig som en ritning för iskristaller. Så fort underkylt vatten befinner sig i dess närhet, sker övergången till fast form förvånansvärt snabbt. Molekylerna orienterar sig efter proteinets struktur och isen bildas nästan momentant.
Hittills har liknande egenskaper främst associerats med bakterier, särskilt arten Pseudomonas syringae, som bland annat används i forskning om artificiell nederbördsframkallning. Bakteriella proteiner har dock en väsentlig begränsning: de måste vanligtvis förbli kopplade till en levande, intakt cell för att fungera.
Proteinet från svampen uppför sig annorlunda. Det är vattenlösligt och verkar effektivt avskilt från cellen som producerade det. Det innebär att du kan:
- isolera och lagra det i lösning
- tillsätta det till vatten eller andra vätskor som en vanlig ingrediens
- testa det under olika förhållanden utan oro för organismens överlevnad
- använda det i industriell skala utan att odla levande kulturer
- kombinera det med andra ämnen för specifika tillämpningar
- transportera det utan särskilda biologiska krav
Denna flexibilitet gör att biologer och ingenjörer ser en betydligt större praktisk potential i det än i bakteriella alternativ. Vattenlösligheten öppnar möjligheter som tidigare var otillgängliga.
Hur svampen fick tag på en gen som ursprungligen tillhörde bakterier
En DNA-analys av svampar från familjen Mortierellaceae visade att genen som kodar för frysaktiverande protein inte är en del av svampens ursprungliga genetiska arsenal. Allt tyder på att den har övertagits från bakterier via så kallad horisontell genöverföring.
I en sådan process hoppar ett fragment av genetiskt material mellan evolutionärt avlägsna organismer — utan klassiskt arv från förälder till avkomma. Det är som att ladda upp ett främmande program till en annorlunda konstruerad dator. Forskarna uppskattar att denna ”genetiska utlåning” kan ha ägt rum för hundratusentals, kanske till och med miljontals år sedan, varefter svamparna började förfina den efter egna regler.
Om genen har överlevt så länge, ger den sannolikt svampen konkreta fördelar. Kanske hjälper den den att överleva i områden där marken ofta fryser, påverkar kontakten med vatten i mikroskopiska utrymmen mellan jordpartiklar eller förändrar relationerna till andra mikroorganismer i ekosystemet. Forskarna från Virginia Tech fortsätter studiet av de evolutionära mekanismer som möjliggjorde denna anpassning.
Var kan förmågan att styra is användas i praktiken?
En av de primära riktningar som forskarna bakom undersökningen lyfter fram är så kallad molnsådd — en teknik för att framkalla regn eller snö. Idag används bland annat silverjodid för detta syfte, ett effektivt ämne som dock inte är likgiltigt för miljön och väcker debatt.
Svampprotein, som en biologiskt nedbrytbar molekyl, skulle en dag kunna ersätta sådana kemikalier. Teoretiskt sett skulle det vara tillräckligt att sprida en lösning med proteinet i moln för att underlätta bildandet av iskristaller och efterföljande nederbörd. För regioner som kämpar med torka skulle det vara en intressant möjlighet, även om det också uppstår frågor om etiken i ”väderstyrning” och möjliga biverkningar för grannområden.
Ett annat område där proteinet kan göra stor skillnad är kryopreservering — lagring av celler, embryon, vävnader eller frön vid låga temperaturer. Huvudproblemet i dessa processer är att om vattnet runt cellerna fryser för sent, bildas stora, vassa iskristaller som bokstavligen river biologiska strukturer i stycken.
Varför iskristallers storlek är avgörande för celler och livsmedel
Om frysningen sätts igång lite tidigare, blir kristallerna mindre och mer enhetliga, och de skadar cellerna långt mindre aggressivt. Proteinet från svampen kan fungera just på detta sätt: ”berätta” för isen när den ska starta, så hela processen förflyter lugnare och mer förutsägbart.
Det är ett värdefullt perspektiv för cellbanker, fertilitetskliniker och center som lagrar genetiskt material från hotade arter. Forskare från universitet i Connecticut och Kalifornien testar redan liknande tillvägagångssätt på vävnad.
Iskristallers storlek är också avgörande i livsmedel. Vem som helst som ätit glass med hårda klumpar eller kött med förstörd struktur efter upptining känner problemet från sitt eget kök. Inom livsmedelsindustrin har man i åratal använt olika snabbfrysningsmetoder för att begränsa kristalltillväxten.
Tillsats av frysaktiverande protein skulle kunna kontrollera denna process ännu mer exakt. Resultatet skulle exempelvis vara:
- glass med en slätare, krämigare konsistens
- frysta frukter som faller mindre sönder efter upptining
- fisk och kött med en mer naturlig struktur efter bearbetning
- frysta grönsaker som bevarar vitaminer och textur
- färdigrätter med bättre sensoriska egenskaper
- produkter med längre hållbarhet utan kvalitetsförlust
- lägre energiförbrukning i frysningsprocesser
Den största utmaningen: att producera proteinet i enorma mängder
Även om forskningsresultaten ser lovande ut på laboratorienivå är vägen till verkliga tillämpningar lång. Proteinet måste produceras i stora mängder och till kostnader som är acceptabla för jordbruk, livsmedelsindustri och medicin.
Teoretiskt kan det göras på flera sätt. Det första alternativet är att genmodifiera bakterier eller jäst så att de producerar svampproteinet i fermentorer, på samma sätt som insulin framställs idag. Den andra vägen är direkt odling av svampar från familjen Mortierellaceae i bioreaktorer och extraktion av proteinet från deras biomassa. Det tredje alternativet är kemisk syntes, om det lyckas kartlägga molekylens struktur exakt.
Därtill kommer regulatoriska frågor: användning i moln, i medicin eller i livsmedel kräver olika, ofta mycket strikta säkerhetsprövningar. Det blotta faktum att proteinet är av naturligt ursprung garanterar inte automatiskt full acceptans från tillsynsmyndigheter. Europeiska myndigheten för livsmedelssäkerhet eller den amerikanska FDA kommer att kräva omfattande data.
Forskarna från Virginia Tech samarbetar med bioteknologiska företag om optimering av produktionsprocesserna. Målet är att reducera kostnaderna till en nivå som möjliggör kommersiell användning inom fem till tio år.
Vad svampproteinet berättar om liv och fysiska processer
Historien om detta protein förbinder fysik och biologi på ett fascinerande sätt. Vi föreställer oss ofta frysning som en rent fysisk process som beror på temperatur och tryck. Här ser man att levande organismer kan gripa in i denna process med mycket specifika, specialiserade molekyler.
För biologer är det en signal om att ytterligare till synes ”rent fysiska” fenomen i omgivningen kan ha motsvarigheter kontrollerade av mikroorganismer. Kanske fungerar där hela uppsättningar av proteiner i marken, atmosfären eller haven som hjälper organismer att anpassa sig till extrema temperaturer, torka eller varierande fuktighet. Forskare från Max Planck-institutet har redan funnit liknande mekanismer hos havsalger.
Från en praktisk synvinkel är själva underkylningsfenomenet värt att förklara, eftersom många stöter på det hemma. Ibland ser en flaska dryck i frysen ut att vara flytande, men efter ett lätt slag börjar den plötsligt förvandlas till is — det är just ett exempel på spontan övergång av underkylt vatten till fast form när det möter en passande impuls.
Proteinet som beskrivits av teamet från Virginia Tech fyller på ett sätt rollen som just en sådan impuls — bara extremt exakt och förutsägbart. Vetenskapen försöker nu omsätta detta naturliga trick till ett verktyg som kan användas i moln, provrör och industriella fryshus, utan att förlora den ekologiska och etiska förnuften på vägen. Kanske kommer du snart uppleva denna teknologi i praktiken.
