En oansenlig jordsvamp visar sig vara ismästare
En till synes helt vanlig svamp som lever i ordinär jord har visat sig besitta en anmärkningsvärd förmåga att kontrollera is. Forskare tror att den skulle kunna revolutionera hur vi hanterar vatten och frysning.
Forskare från Virginia Tech har identifierat ett protein som får rent vatten att frysa nästan omedelbart — redan vid lätt frost. Om det lyckas producera det billigt kan det få tillämpningar inom meteorologi, medicin, jordbruk och livsmedelsindustrin.
En trädgårdssvamp som påskyndar isbildningen
Teamet under ledning av Boris Vinatzer och Xiaofeng Wang riktade fokus mot svampar från familjen Mortierellaceae. De tillhör de mest utbredda jordorganismerna — de finns i skogar, på åkrar och i trädgårdar runt husen. I deras arvsmassa hittade forskarna en gen som kodar för ett ovanligt protein, vilket fungerar som startknapp för vattnets frysning.
Under normala förhållanden kan rent vatten utan föroreningar förbli flytande även under noll grader. Fysiker har länge fascinerats av fenomenet underkylning, där temperaturen sjunker men iskristaller ännu inte bildas eftersom de saknar ett ”ställning” att växa på.
Det är exakt vad svampens protein levererar: det skapar en yta där vattenmolekyler ordnar sig i en regelbunden struktur, så is bildas redan vid cirka -2 °C. Forskarna beskriver proteinet som en mall för iskristaller. Så snart underkylt vatten befinner sig i närheten börjar övergången till fast form förvånansvärt snabbt.
Därför är svampens version av proteinet så exceptionell
Hittills har man främst förknippat denna förmåga med bakterier, särskilt arten Pseudomonas syringae, som bland annat används i forskning om konstgjord nederbörd. Men bakteriella proteiner har en väsentlig begränsning: de måste normalt förbli kopplade till en levande, intakt cell för att fungera.
Proteinet från svampen beter sig annorlunda. Det är vattenlösligt och fungerar effektivt åtskilt från cellen som producerade det. Det innebär att det kan:
- isoleras och förvaras i lösning
- tillsättas vatten eller andra vätskor som ett vanligt tillsatsämne
- testas under vitt skilda förhållanden utan oro för organismens överlevnad
- förvaras i rumstemperatur en period
- kombineras med andra ämnen
Denna flexibilitet i tillämpningen gör att biologer och ingenjörer ser en betydligt större praktisk potential i det än i bakteriella proteiner.
En gen lånad från bakterier för mycket länge sedan
En DNA-analys av svampen från familjen Mortierellaceae visade att genen som kodar för frysinitierande protein inte är en del av dess ursprungliga genetiska utrustning. Allt tyder på att den övertogs från bakterier via så kallad horisontell genöverföring.
I denna process hoppar ett stycke genetiskt material mellan evolutionärt avlägsna organismer — utan klassiskt arv från förälder till avkomma. Det liknar att plötsligt ladda upp ett främmande program till en dator som är designad för något helt annat.
Forskarna uppskattar att detta ”genetiska lån” kan ha ägt rum för hundratusentals, kanske till och med miljontals år sedan, varefter svampen började förfina genen efter egna behov. Eftersom genen har hållit sig 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 mellanrum mellan jordpartiklar eller förändrar förhållandet till andra mikroorganismer i ekosystemet.
Från moln till cellförvaring — var kan proteinet användas?
Ett av de centrala tillämpningsområdena som studiets författare nämner är så kallad molnsådd — en teknik för att framkalla regn eller snö. Idag används bland annat silverjodid för detta ändamål, ett ämne som fungerar men är problematiskt för miljön och skapar debatt.
Svampproteinet är en biologisk molekyl som bryts ned naturligt och skulle en dag kunna ersätta dessa kemikalier. Teoretiskt sett skulle det bara kräva att spraya en proteinhaltig lösning in i moln för att underlätta bildningen av iskristaller och därefter nederbörd.
För torkadrabbade regioner skulle det vara en intressant möjlighet, även om frågor om etiken bakom ”väderkontroll” och möjliga bieffekter på grannregioner melder sig.
Säkrare frysning av celler och vävnad
Ett annat område där proteinet skulle kunna göra stor skillnad är kryopreservering — förvaring av celler, embryon, vävnad 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 sönder biologiska strukturer.
Initieras frysningen lite tidigare blir kristallerna mindre och mer enhetliga, och skadar därmed cellerna långt mindre aggressivt. Svampproteinet kan verka på exakt det sättet: det ”bestämmer” det ögonblick isen startar, så hela processen förløper lugnare och mer förutsägbart. Det är ett värdefullt perspektiv för cellbanker, fertilitetskliniker och center som bevarar genetiskt material från hotade arter.
Inom medicinen skulle ett sådant protein kunna förbättra framgångsgraden för organtransplantationer. Forskare från universitet världen över undersöker hur exakt kontroll av isbildning påverkar vävnadernas överlevnad efter upptining.
Bättre kvalitet i frysta livsmedel
Storleken på iskristaller är också avgörande för livsmedelsprodukter. Vem som helst som ätit glass full av hårda klumpar eller kött med förstörd struktur efter upptining känner igen problemet från eget kök.
I livsmedelsindustrin används redan olika snabbfrysningsmetoder för att begränsa kristalltillväxt. Att tillsätta ett frysinitierande protein skulle kunna styra denna process ännu mer exakt. Resultatet skulle exempelvis 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 med bättre smak och näringsinnehåll
- färdigrätter med högre kvalitet efter uppvärmning
- desserter med en finare textur
Det största hindret — storskalig produktion av proteinet
Även om forskningsresultaten ser lovande ut på laboratoriebasis är vägen till praktiska tillämpningar lång. Proteinet måste produceras i enorma mängder till kostnader som är acceptabla för jordbruk, livsmedelsindustri eller medicin.
Teoretiskt kan det låta sig göras på flera sätt. Man kan genetiskt modifiera jäst eller bakterier för att producera proteinet i fermenteringstankar, liksom insulin produceras idag. En annan möjlighet är att odla genetiskt modifierade växter som fungerar som ”fabriker” för proteinet. En tredje variant är direkt kemisk syntes i laboratoriet — men det är än så länge dyrt.
Därtill kommer regulatoriska frågor: användning i moln, i medicin eller i livsmedel kräver olika och ofta mycket stränga säkerhetstester. Det faktum att proteinet härstammar från naturen garanterar inte automatiskt fullt godkännande från tillsynsmyndigheter. Både European Food Safety Authority och den amerikanska Food and Drug Administration kommer att kräva omfattande studier.
Vad det lär oss om is och om livet
Historien om svampproteinet förbinder fysik och biologi på fascinerande sätt. Frysning presenteras ofta som en rent fysisk process som beror på temperatur och tryck. Här ser man att levande organismer kan ingripa i denna process med mycket exakta, specialiserade molekyler.
För biologer är det en signal om att andra till synes ”rent fysiska” fenomen i miljön kan ha motsvarigheter som kontrolleras av mikroorganismer. Kanske fungerar det hela uppsättningar av proteiner i jord, atmosfär eller oceaner som hjälper organismer att anpassa sig till extrema temperaturer, torka eller varierande fuktighet.
Från ett praktiskt perspektiv är själva underkylningsfenomenet värt att förstå, för många människor upplever det faktiskt hemma. Ibland ser en flaska i frysen ut att innehålla flytande vatten, men efter en lätt stöt börjar den plötsligt förvandlas till is — det är ett exempel på spontan övergång från underkylt vatten till fast tillstånd när det möter rätt utlösare.
Proteinet beskrivet av teamet från Virginia Tech uppfyller i viss mening rollen som en sådan utlösare — bara en som är ovanligt exakt och förutsägbar. Vetenskapen försöker nu omsätta detta naturens trick till ett verktyg som kan användas i moln, reagensrör och industriella frysanläggningar, utan att den ekologiska och etiska förnuftet går förlorat på vägen.
