Den usynlige svamp i din have gemmer på en utrolig evne
En uanselig svampart, der lever i helt almindelig havejord, behersker isformationsprocessen på en måde, som kan revolutionere både industri og meteorologi. Forskere har opdaget, at den producerer et protein, som er i stand til at fryse rent vand næsten øjeblikkeligt.
Forskere fra Virginia Tech har identificeret et protein, der kan få rent vand til at fryse næsten på stedet – allerede ved nogle få graders frost. Hvis det kan produceres billigt, vil meteorologi, medicin, landbrug og fødevareindustrien alle have gavn af opdagelsen.
Mortierellaceae – de mest almindelige svampe, du aldrig har hørt om
Svampe fra familien Mortierellaceae hører til de mest udbredte jordorganismer overhovedet. Du finder dem i skove, på marker og sandsynligvis også i din egen baghave. I deres arvemasse har forskere opdaget et gen, der koder for et bemærkelsesværdigt protein, som fungerer som en udløser for vandets frysningsproces.
Denne egenskab kan fundamentalt ændre den måde, vi arbejder med fryseteknologi, beskyttelse af biologisk materiale og måske endda vejrpåvirkning.
Svampeprotein fryser vand til is ved minus to grader
Holdet ledet af Boris Vinatzer og Xiaofeng Wang fokuserede netop på svampe fra Mortierellaceae-familien. Disse organismer findes praktisk talt overalt – i almindelig havejord, i skovkanter og midt i landbrugslandskaber. Deres arvemasse indeholder et gen for et protein, der virker som en frysningsinitiator.
Under normale omstændigheder kan rent vand uden urenheder forblive flydende selv under frysepunktet. Fysikere har længe været fascinerede af fænomenet underkøling, hvor temperaturen falder, men iskrystaller endnu ikke dannes, fordi der mangler en overflade til at organisere dem. Det er præcis det, svampeproteinet leverer.
Proteinet fungerer som et stillads, hvor vandmolekyler arrangerer sig i en regelmæssig struktur, og is dannes allerede omkring minus to grader Celsius. Forskerne beskriver, at proteinet opfører sig som en skabelon for iskrystaller – processen er overraskende hurtig og langt mere forudsigelig end andre kendte mekanismer.
Hvorfor svampeversionen er overlegen i forhold til bakterier
Hidtil har man primært forbundet denne type evne med bakterier, særligt Pseudomonas syringae, som blandt andet bruges i forskning om kunstigt fremkaldte nedbør. Men bakterieproteiner har en afgørende begrænsning: de skal som regel forblive forbundet med en levende, intakt celle for at fungere.
Svampeproteinet opfører sig anderledes. Det er vandopløseligt og virker effektivt adskilt fra den celle, der producerede det. Det betyder, at man kan:
- isolere det og opbevare det i opløsning
- tilsætte det til vand eller andre væsker som et almindeligt tilsætningsstof
- teste det under vidt forskellige forhold uden bekymringer for organismens overlevelse
- anvende det i industriel skala med minimal forberedelse
- kombinere det med andre stoffer efter behov
Denne fleksibilitet giver biologer og ingeniører langt større praktiske muligheder end bakterievarianterne. Vandopløseligheden betyder, at proteinet nemt kan doseres og blandes med andre komponenter, hvilket åbner vejen for en bred vifte af innovationer.
Et gen lånt fra bakterier for millioner af år siden
En DNA-analyse af Mortierellaceae-svampen viste, at det gen, der koder for frysningsinitiatorproteinet, ikke er en del af dens ursprunglige genetiske udstyr. Alt tyder på, at det blev overtaget fra bakterier via såkaldt horisontal genoverførsel.
I denne proces springer et stykke genetisk materiale mellem evolutionært fjerne organismer – uden klassisk arv fra forælder til afkom. Det svarer lidt til pludselig at uploade et fremmed program til en computer med helt anden arkitektur. Forskerne anslår, at denne genetiske låneoperation kan have fundet sted for hundredtusinder, måske millioner af år siden, og at svampene siden har raffineret det efter egne behov.
Hvis genet har overlevet så længe, giver det sandsynligvis svampen konkrete fordele – måske hjælper det den med at overleve i områder, hvor jorden ofte fryser, eller det påvirker dens relationer til andre mikroorganismer i økosystemet. Forskerne fra Virginia Tech undersøger nu præcis, hvordan proteinet fungerer på molekylært niveau.
Fra skyer til vævsbiobanker – her kan proteinet gøre en forskel
Et af de centrale anvendelsesområder, som studiets forfattere fremhæver, er såkaldt skysåning – en teknik til kunstigt at fremkalde regn eller sne. I dag bruges blandt andet sølvjodid, et stof der er effektivt, men ikke fuldstændig skånsomt over for miljøet og ofte genstand for debat.
Et svampeprotein som et biologisk, nedbrydeligt molekyle kunne i princippet erstatte sådanne kemikalier. Teoretisk set ville det være tilstrækkeligt at sprøjte en proteinopløsning ud i skyer for at lette dannelsen af iskrystaller og dermed nedbør. For tørkeramte regioner ville det være en interessant mulighed, selvom spørgsmålet om etik og mulige bivirkninger for naboområder stadig rejser sig.
Det andet store område er kryopræservering – bevaring af celler, embryoner, væv eller frø ved lave temperaturer. Hovedproblemet ved disse processer er, at hvis vandet omkring cellerne fryser for sent, dannes store, skarpe iskrystaller, der bogstaveligt talt flænser de biologiske strukturer.
Starter frysningen lidt tidligere, bliver krystallerne mindre og mere ensartede, så de ikke ødelægger cellerne så voldsomt. Svampeproteinet kan netop fungere på den måde: det bestemmer tidspunktet for frysningens start, så hele processen forløber roligere og mere forudsigeligt. Det er en værdifuld perspektiv for cellebanker, fertilitetsbehandlingsklinikker og centre, der bevarer genetisk materiale fra truede arter.
Bedre kvalitet af frosne fødevarer takket være kontrolleret isformering
Iskrystallers størrelse er også afgørende i fødevareprodukter. Alle, der har spist is med hårde klumper eller kød med ødelagt struktur efter optøning, kender problemet fra eget køkken. Fødevareindustrien har i årevis brugt forskellige hurtigfrysningsmetoder for at begrænse krystalvæksten.
At tilsætte et frysningsinitiatorprotein kunne kontrollere denne proces endnu mere præcist. Resultatet kunne for eksempel blive:
- is med en glattere, mere cremet konsistens
- frosne frugter, der falder mindre fra hinanden efter optøning
- fisk og kød med en mere naturlig struktur efter forarbejdning
- grøntsager, der bevarer farve og smag selv efter måneder i fryseren
- færdigretter med bedre tekstur efter opvarmning
- reduceret madspild takket være højere frysekvalitet
For producenter af frosne fødevarer ville det betyde muligheden for at tilbyde produkter af højere kvalitet uden at investere i dyrere frysningsudstyr. Forbrugerne ville få mad, der efter optøning ser ud og smager næsten som frisk.
Sådan kan proteinet produceres i stor skala
Selvom forskningsresultaterne ser lovende ud på laboratorieniveau, er vejen til reelle anvendelser lang. Proteinet skal produceres i enorme mængder og til priser, der er acceptable for landbrug, fødevareindustri og medicin. Den industrielle produktion er stadig den største forhindring.
Teoretisk set findes der flere muligheder. Forskere kan indsætte genet i gær eller Escherichia coli-bakterier, som derefter producerer proteinet i fermentationsanlæg. En anden mulighed er at dyrke selve Mortierellaceae-svampene i specielle bioreaktorer og isolere proteinet herfra. Nogle hold undersøger også syntetisk fremstilling via kemiske metoder.
Hertil kommer regulatoriske spørgsmål: anvendelse i skyer, i medicin eller i fødevarer kræver forskellige og ofte meget strenge sikkerhedsgodkendelser. Det faktum, at proteinet stammer fra en naturlig kilde, garanterer ikke automatisk fuld accept fra tilsynsmyndighederne. Forskerne fra Virginia Tech samarbejder med myndighederne om at fremskynde godkendelsesprocessen mest muligt.
Hvad denne opdagelse lærer os om is og livet i jordoverfladen
Historien om svampeproteinet forbinder fysik og biologi på fascinerende vis. Frysning fremstilles ofte som en rent fysisk proces afhængig af temperatur og tryk. Her ser vi, at levende organismer kan gribe ind i denne proces med meget præcise, højt specialiserede molekyler.
For biologer er det et signal om, at andre tilsyneladende rent fysiske fænomener i miljøet muligvis har tilsvarende varianter styret af mikroorganismer. Måske fungerer der i jord, atmosfære eller have hele sæt af proteiner, der hjælper organismer med at tilpasse sig ekstreme temperaturer, tørke eller svingende fugtighed. Forskere ved universiteter over hele verden er allerede begyndt at undersøge lignende systemer hos andre svampe og bakterier.
Fra et praktisk perspektiv er det værd at forklare selve underkølingseffekten, som mange kender fra hverdagen. Nogle gange ser en flaske i fryseren ud til at indeholde flydende væske, men efter et let slag begynder den pludselig at blive til is – det er netop et eksempel på spontan overgang fra underkølet vand til fast form, når den møder det rette stimuli.
Proteinet beskrevet af Virginia Tech-holdet udfylder i en vis forstand rollen som det stimuli – blot ekstraordinært præcist og forudsigeligt. Videnskaben forsøger nu at omdanne dette naturlige trick til et redskab, der kan bruges i skyer, reagensglas og industrielle fryseanlæg, uden at miste den økologiske og etiske fornuft. Måske ser du snart dette protein i produkter, du bruger til hverdag.
