En oansenlig svamp från trädgårdsjorden döljer en anmärkningsvärd förmåga
En helt vanlig svampart som lever i vanlig trädgårdsjord behärskar isbildning på ett sätt som kan revolutionera både industri och meteorologi. Forskare har upptäckt att den producerar ett protein som kan frysa rent vatten nästan ögonblickligt.
Forskare från Virginia Tech har identifierat ett protein som kan få rent vatten att frysa nästan på en gång — redan vid några minusgrader. Om det lyckas att framställa det billigt kan meteorologi, medicin, jordbruk och livsmedelsindustrin alla dra nytta av upptäckten.
Mortierellaceae: Den svampfamilj som finns överallt under dina fötter
Svampar från familjen Mortierellaceae hör till de mest utbredda jordorganismerna — de finns i skogar, på åkrar och i din egen trädgård. I deras genom upptäckte forskarna en gen som kodar för ett ovanligt protein, vilket fungerar som en utlösare för frysning av vatten. Denna egenskap kan fundamentalt förändra hur vi arbetar med kylteknik, skydd av biologiskt material och till och med väderpåverkan.
Svampprotein fryser vatten vid minus två grader Celsius
Teamet lett av Boris Vinatzer och Xiaofeng Wang fokuserade på svampar från familjen Mortierellaceae. Dessa organismer finns praktiskt taget överallt — i vanlig trädgårdsjord, i skogskanter och mitt i jordbrukslandskap. Deras genom innehåller en gen för ett protein som fungerar som initiator för frysning.
Under normala förhållanden kan rent vatten utan föroreningar förbli flytande även under fryspunkten. Fysiker har länge fascinerats av fenomenet underkylning, där temperaturen sjunker men iskristaller ännu inte bildas eftersom det saknas en yta att organisera sig på. Det är precis det som svampproteinet levererar: det skapar ett slags ställning där vattenmolekylerna arrangerar sig i en regelbunden struktur, och is bildas redan runt minus två grader Celsius.
Forskarna beskriver att proteinet beter sig som en mall för iskristaller. Så fort underkylt vatten befinner sig i närheten fortskrider övergången till fast form förvånansvärt snabbt. Jämfört med andra kända mekanismer är detta system anmärkningsvärt effektivt och förutsägbart.
Varför svampversionen är överlägsen jämfört med bakterier
Hittills har man främst förknippat denna typ av förmåga med bakterier, särskilt arten Pseudomonas syringae. Dessa bakterier används bland annat i forskning om konstgjord nederbörd. Men bakteriella proteiner har en avgörande begränsning: de måste som regel förbli kopplade till en levande, intakt cell för att fungera.
Proteiner från svampen beter sig annorlunda. Det är vattenlösligt och verkar effektivt åtskilt från cellen som producerade det. Det innebär att man kan:
- isolera det och förvara det i lösning
- tillsätta det till vatten eller andra vätskor som ett vanligt tillsatsämne
- testa det under de mest varierande förhållanden utan oro för organismens överlevnad
- använda det i industriell skala med minimal förberedelse
- kombinera det med andra ämnen efter behov
Denna flexibilitet ger biologer och ingenjörer långt större möjligheter för praktisk användning än de bakteriella varianterna. Vattenlösligheten betyder att proteinet enkelt kan doseras och blandas med andra komponenter, vilket öppnar vägen för ett brett spektrum av innovationer.
En gen lånad från bakterier för miljoner år sedan
DNA-analysen av svampen från familjen Mortierellaceae visade att genen som kodar för isinitieringsproteinet inte är en del av dess ursprungliga genetiska utrustning. Allt tyder på att den övertagits från bakterier via så kallad horisontell genöverföring.
I en sådan process hoppar ett fragment genetiskt material mellan evolutionärt avlägsna organismer — utan klassiskt arv från förälder till avkomma. Det är som att plötsligt ladda upp ett främmande program till en annorlunda designad dator. Forskarna uppskattar att denna genetiska utlåning kan ha ägt rum för hundratusentals, kanske miljontals år sedan, och att svamparna sedan dess har förfinat det efter egna villkor.
Om genen har överlevt så länge ger den sannolikt svampen konkreta fördelar. Kanske hjälper det den att överleva i områden där jorden ofta fryser, påverkar kontakten med vatten i mikroskopiska utrymmen mellan lerpartiklar, eller förändrar förhållandet till andra mikroorganismer i ekosystemet. Forskare från Virginia Tech undersöker nu de exakta mekanismer som proteinet opererar efter på molekylär nivå.
Från moln till vävnadsbibanker — här kan proteinet göra skillnad
Ett av de primära användningsområdena som studiens författare nämner är så kallad cloud seeding — en teknik för att framkalla regn eller snö. Idag används bland annat silverjodid för detta ändamål, ett ämne som visserligen är effektivt men inte helt ofarligt för miljön och ofta ger upphov till diskussion.
Ett svampprotein som en biologiskt nedbrytbar molekyl skulle i framtiden kunna ersätta sådana kemikalier. I teorin skulle man bara behöva spraya ut en lösning innehållande proteinet i moln för att underlätta bildningen av iskristaller och därmed nederbörd. För torkadrabbade regioner skulle detta vara en intressant möjlighet, även om frågan om etik vid väderstyrning och möjliga biverkningar för grannområden fortfarande finns kvar.
Det andra stora området där proteinet kan göra skillnad är kryopreservering — bevarande av celler, embryon, vävnader eller frön vid låga temperaturer. Huvudproblemet vid dessa processer är att om vattnet runt cellerna fryser för sent bildas stora, vassa iskristaller som bokstavligt talat sliter sönder biologiska strukturer.
Startar frysningen lite tidigare blir kristallerna mindre och mer enhetliga så att de inte skadar cellerna lika aggressivt. Svampproteinet kan fungera just på detta sätt: det bestämmer startpunkten för isen så att hela processen förlöper lugnare och mer förutsägbart. Det är ett värdefullt perspektiv för cellbanker, fertilitetskliniker och center som förvarar genetiskt material från hotade arter.
Bättre kvalitet på frysta grönsaker och kött tack vare iskontroll
Storleken på iskristaller är också avgörande i livsmedelsprodukter. Alla som ätit glass full av hårda klumpar eller kött med förstörd struktur efter upptining känner till detta problem från sitt eget kök. Livsmedelsindustrin har i åratal använt olika metoder för snabb frysning för att begränsa kristalltillväxt.
Tillsats av ett isinitieringsprotein skulle kunna kontrollera denna process ännu mer precist. Resultatet skulle till exempel kunna bli:
- glass med en slätare, krämigare konsistens
- frysta frukter som faller mindre sönder efter upptining
- fisk och kött med en mer naturlig struktur efter bearbetning
- grönsaker som behåller färg och smak även efter månader i frysen
- färdigrätter med bättre textur efter uppvärmning
- minskat matsvinn tack vare bättre fryskvalitet
För producenter av frysta livsmedel skulle det innebära möjlighet att erbjuda produkter av högre kvalitet utan att investera i dyra frysanläggningar. Konsumenterna skulle få mat som efter upptining ser ut och smakar nästan som färsk.
Så här kan proteinet produceras i stor skala
Även om forskningsresultaten ser lovande ut på laboratorienivå är vägen till verkliga tillämpningar lång. Proteinet måste produceras i enorma mängder till kostnader som är acceptabla för jordbruk, livsmedelsindustri eller medicin. Den största hindret är just industriell framställning.
Teoretiskt finns det flera sätt att göra det på. Forskare kan sätta in genen i jäst eller bakterien Escherichia coli, som sedan producerar proteinet i fermentatorer. Ett annat alternativ är att odla själva svamparna från familjen Mortierellaceae i speciella bioreaktorer och isolera proteinet från dem. Vissa team undersöker också syntetisk produktion via kemiska metoder.
Därtill kommer regulatoriska frågor: användning i moln, inom medicin eller i livsmedel kräver olika och ofta mycket stränga säkerhetstester. Det faktum att proteinet kommer från en naturlig källa garanterar inte automatiskt fullt godkännande från tillsynsmyndigheter. Forskare från Virginia Tech samarbetar med myndigheter för att påskynda godkännandeprocessen så mycket som möjligt.
Vad denna upptäckt lär oss om is och livet i marken
Historien om svampproteinet förenar fysik och biologi på fascinerande sätt. Frysning framställs ofta som en rent fysisk process beroende av temperatur och tryck. Här ser man att levande organismer kan ingripa i denna process med mycket specifika, högt specialiserade molekyler.
För biologer är det en signal om att andra till synes rent fysiska fenomen i omgivningen kanske har motsvarande versioner som styrs av mikroorganismer. Möjligen fungerar hela uppsättningar av proteiner i jord, atmosfär eller hav som hjälper organismer att anpassa sig till extrema temperaturer, torka eller varierande fuktighet. Forskare från universitet världen över har redan börjat undersöka liknande system hos andra svampar och bakterier.
Ur ett praktiskt perspektiv är det värt att förklara själva underkylningsfenomenet, eftersom många människor stöter på det hemma. Ibland ser en dryck i en flaska i frysen ut att vara flytande, men efter en lätt knackning 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 utlösare.
Proteinet beskrivet av teamet från Virginia Tech fyller i viss mening rollen som just en sådan utlösare — bara extremt precist och förutsägbart. Vetenskapen försöker nu omsätta detta naturtrick till ett verktyg som kan användas i moln, provrör och industriella frysanläggningar utan att förlora det ekologiska och etiska perspektivet. Kanske kommer du snart se detta protein i produkter du använder varje dag.
