En uanseelig organisme fra haven kan styre frysning på en måde, der kan revolutionere flere industrier
Dybt nede i den jord, du måske selv har i haven, lever en organisme med en bemærkelsesværdig evne. Den kan kontrollere, hvordan vand fryser – og det på en måde, der potentielt kan forandre meteorologi, medicin og fødevareindustri.
Forskere fra Virginia Tech har identificeret et protein, der får rent vand til at fryse næsten øjeblikkeligt ved blot en svag frost. Hvis det lykkes at producere det billigt, kan det finde anvendelse i vejrforskning, medicin, landbrug og fødevareproduktion.
Holdet bag opdagelsen og den svamp, der gemmer hemmeligheden
Forskerholdet ledet af Boris Vinatzer og Xiaofeng Wang satte fokus på svampe fra familien Mortierellaceae. Det drejer sig om nogle af de mest udbredte organismer i jordbunden – de findes i skove, på marker og sandsynligvis i din egen have. I deres arvemasse fandt forskerne et gen, der koder for et usædvanligt protein, som fungerer som en slags udløsermekanisme for frysning af vand.
Under normale omstændigheder kan rent vand uden urenheder forblive flydende selv under nul grader Celsius. Fysikere har længe været fascineret af fænomenet underkøling, hvor temperaturen falder, men iskrystaller endnu ikke dannes, fordi de mangler et “stillads” til strukturen. Det er præcis, hvad svampeproteinet leverer: det skaber en overflade, som vandmolekylerne kan ordne sig på, så is opstår allerede ved cirka minus to grader Celsius.
Svampeproteinet fungerer som en skabelon for iskrystaller
Forskerne beskriver, hvordan proteinet opfører sig som en form for støbeform for iskrystaller. Så snart underkølet vand befinder sig i nærheden, sker overgangen til fast stof overraskende hurtigt. Molekylerne tilpasser sig proteinets struktur, og isen opstår praktisk talt øjeblikkeligt.
Hidtil har man primært forbundet denne evne med bakterier, særligt arten Pseudomonas syringae, som blandt andet anvendes i forskning i kunstig nedbørsfremkaldelse. Bakterielle proteiner har dog en væsentlig begrænsning: de kræver normalt, at de forbliver forbundet med en levende, intakt celle for at fungere.
Proteinet fra svampen 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 en almindelig ingrediens
- teste det under varierende forhold uden bekymring for organismens overlevelse
- anvende det i industriel skala uden at dyrke levende kulturer
- kombinere det med andre stoffer til specifikke formål
- transportere det uden særlige biologiske krav
Denne fleksibilitet i anvendelsen betyder, at biologer og ingeniører ser et langt større praktisk potentiale i det end i bakterielle alternativer. Vandopløseligheden åbner muligheder, der tidligere var utilgængelige.
Hvordan svampen fik fat i et gen, der oprindeligt tilhørte bakterier
En DNA-analyse af svampen fra Mortierellaceae-familien viste, at genet bag frysningsstarterproteinet ikke er en del af dens oprindelige genetiske udrustning. Alt tyder på, at det blev overtaget fra bakterier via såkaldt horisontal genoverførsel.
I denne proces springer et stykke genetisk materiale mellem evolutionært fjernt beslægtede organismer – uden klassisk arv fra forælder til afkom. Det kan sammenlignes med pludselig at uploade et fremmed program til en computer med et helt andet design. Forskerne anslår, at dette “genetiske lån” kan have fundet sted for hundredtusinder eller måske endda millioner af år siden, hvorefter svampene begyndte at videreudvikle det efter egne behov.
At genet har overlevet så længe, tyder på, at det giver svampen konkrete fordele. Det hjælper måske organismen med at overleve i områder, hvor jorden ofte fryser, påvirker kontakten med vand i mikroskopiske rum mellem jordpartikler, eller ændrer samspillet med andre mikroorganismer i økosystemet. Forskerne fra Virginia Tech fortsætter studiet af de evolutionære mekanismer bag denne tilpasning.
Hvor kan evnen til at styre is bruges i praksis?
Et af de primære anvendelsesområder, som forskerne bag studiet nævner, er såkaldt skybesåning – en teknik til at fremkalde regn eller sne. I dag bruges blandt andet sølvjodid til dette formål, et effektivt stof der dog ikke er uden miljømæssige betænkeligheder og giver anledning til debat.
Svampeproteinet, som biologisk molekyle der nedbrydes naturligt, kunne en dag erstatte sådanne kemikalier. Teoretisk set ville det være tilstrækkeligt at sprøjte en proteinopløsning ud 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 ved “vejrkontrol” og mulige konsekvenser for nabolande også rejser sig.
Et andet område, hvor proteinet kan gøre en stor forskel, er kryopræservering – opbevaring af celler, embryoner, væv eller frø ved lave temperaturer. Det centrale problem ved disse processer er, at hvis vandet omkring cellerne fryser for sent, dannes der store, skarpe iskrystaller, som bogstaveligt talt flænser de biologiske strukturer.
Hvorfor iskrystallers størrelse er afgørende for celler og fødevarer
Hvis frysningen starter en smule tidligere, bliver krystallerne mindre og mere ensartede, så de skader cellerne langt mindre aggressivt. Svampeproteinet kan netop fungere på denne måde: det “bestemmer” tidspunktet for frysningens start, så hele processen forløber roligere og mere forudsigeligt.
Det er et værdifuldt perspektiv for cellebanker, fertilitetsklinikker og centre der opbevarer genetisk materiale fra truede arter. Forskere fra universiteter i Connecticut og Californien tester allerede lignende tilgange på væv.
Iskrystallers størrelse spiller også en afgørende rolle i fødevarer. Enhver, der har spist is fyldt med hårde klumper eller kød med ødelagt struktur efter optøning, kender problemet fra sit eget køkken. Fødevareindustrien har i årevis brugt forskellige metoder til hurtig frysning for at begrænse krystalvækst.
Tilsætning af et frysningsstartende protein kunne kontrollere denne proces endnu mere præcist. Resultatet kunne eksempelvis blive:
- is med en glattere og mere cremet konsistens
- frosne frugter, der falder mindre fra hinanden efter optøning
- fisk og kød med en mere naturlig struktur efter forarbejdning
- frosne grøntsager, der bevarer vitaminer og tekstur
- færdigretter med bedre sensoriske egenskaber
- produkter med længere holdbarhed uden kvalitetstab
- lavere energiforbrug i frysningsprocesser
Den største udfordring: at producere proteinet i enorme mængder
Selv om forskningsresultaterne ser lovende ud på laboratorieniveau, er vejen til reelle anvendelser lang. Proteinet skal produceres i store mængder og til omkostninger, der er acceptable for landbrug, fødevareindustri og medicin.
Teoretisk set kan det gøres på flere måder. Den første mulighed er at genmodificere bakterier eller gær til at producere svampeproteinet i fermentationsanlæg, på samme måde som insulin fremstilles i dag. Den anden vej er direkte dyrkning af Mortierellaceae-svampe i bioreaktorer og ekstraktion af proteinet fra deres biomasse. En tredje mulighed er kemisk syntese, hvis det lykkes at kortlægge molekylets struktur præcist nok.
Hertil kommer regulatoriske spørgsmål: anvendelse i skyer, i medicin eller i fødevarer kræver forskellige og ofte meget strenge sikkerhedstest. Det faktum, at proteinet er af naturlig oprindelse, garanterer ikke automatisk fuld accept fra tilsynsmyndigheder. Europæiske og amerikanske fødevaremyndigheder vil kræve omfattende data, inden godkendelse gives.
Forskerne fra Virginia Tech samarbejder med bioteknologiske virksomheder om at optimere produktionsprocesserne. Målet er at reducere omkostningerne til et niveau, der muliggør kommerciel udnyttelse inden for fem til ti år.
Hvad svampeproteinet fortæller os om liv og fysiske processer
Historien om dette protein forbinder fysik og biologi på fascinerende vis. Vi forestiller os ofte frysning som en rent fysisk proces, der afhænger af temperatur og tryk. Her ser vi, at levende organismer kan gribe ind i denne proces med meget specifikke, specialiserede molekyler.
For biologer er det et signal om, at andre tilsyneladende “rent fysiske” fænomener i naturen kan have modstykker styret 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 skiftende fugtighed. Forskere fra Max Planck-instituttet har allerede fundet lignende mekanismer hos havalgerne.
Fra et praktisk synspunkt er det også værd at forklare selve underkølingsfænomenet, som mange kender fra hverdagen. Nogle gange ser en flaske i fryseren ud til at indeholde flydende væske, men efter et let slag mod bordet begynder indholdet pludselig at forvandles til is – det er netop et eksempel på spontan overgang fra underkølet vand til fast stof, når det møder den rette stimulus.
Proteinet beskrevet af Virginia Tech-teamet udfylder i en vis forstand rollen som netop sådan en stimulus – blot utroligt præcis og forudsigelig. Videnskaben forsøger nu at omsætte dette naturens trick til et redskab, der kan bruges i skyer, reagensglas og industrielle frysehuse, uden at miste det økologiske og etiske overblik undervejs. Måske vil du snart se denne teknologi i praksis.
