En havesvamp der fremskynder isdannelse
Det lyder som magi, men er faktisk konkret biokemi. Det, der tidligere blev betragtet som ren fysik, trækker nu stærkt i biologisk retning. Forskere har vist, at visse organismer bogstaveligt talt kan "trykke på aftrækkeren" for is — og ét tilsyneladende ubetydeligt protein fra en udbredt jordsvamp kan revolutionere landbruget, medicinen og den måde, vi styrer regn på.
Et internationalt forskerhold ledet af Boris Vinatzer og Xiaofeng Wang fra Virginia Tech har undersøgt svampe fra familien Mortierellaceae nærmere. Disse organismer findes i jord over hele kloden — også i almindelige haver og på dyrkede marker.
Holdet identificerede et protein i svampene, der fungerer som et krystallisationskerne. Det betyder, at proteinet får vand til at fryse allerede ved cirka -2°C — altså ved en temperatur kun lidt under det normale frysepunkt for rent vand.
Proteinet virker som et stillads for vandmolekylerne — det arrangerer dem, så de hurtigere falder på plads i en isstruktur, frem for at forblive en underafkølet væske i lang tid.
Det fænomen, hvor vand forbliver flydende under 0°C, kaldes underafkøling. Uden de rette "kimceller" til krystallisation kan vand holde sig i denne tilstand overraskende længe. Proteinet fra Mortierellaceae forkorter denne proces ved at tilbyde en ideelt forberedt overflade, hvorpå iskrystaller begynder at vokse.
Hvorfor denne svampeversion er så bemærkelsesværdig
Lignende egenskaber har man tidligere set hos visse bakterier, for eksempel Pseudomonas syringae. Også her optræder proteiner, der sætter frysning i gang. Forskellen ligger i, hvordan de kan anvendes i praksis.
Hos bakterier fungerer proteinet kun effektivt, når det er bundet til en levende og intakt celle. Fra et praktisk synspunkt er det en betragtelig begrænsning — man skal holde skrøbelige mikroorganismer i live, sikre deres stabilitet og biologiske sikkerhed.
Svampeproteinet har en anden natur:
- det er opløseligt i vand,
- det virker uden tilstedeværelsen af en hel celle,
- det kan isoleres og testes som et almindeligt kemisk stof.
For ingeniører og bioteknologer er det en enorm fordel. Det er nemmere at opbevare, blande med andre stoffer, transportere og introducere i forskellige systemer — uden risiko for, at levende mikroorganismer slipper ud.
Sådan sporede forskerne proteinet
For ikke udelukkende at basere sig på observationer brugte holdet DNA-sekventering og bioinformatiske værktøjer. Forskerne analyserede genomet hos Mortierellaceae og ledte efter den del af koden, der er ansvarlig for at producere det isnukleerende protein.
Da det konkrete gen var fundet, sammenlignede man det med databaser — og her dukkede endnu en overraskelse op: Genet lignede overhovedet ikke typiske fragmenter fra svampenes genom.
Analysen viste, at det afgørende gen var kommet ind i svampen udefra via såkaldt horisontal genoverførsel.
Det er en mekanisme, hvor DNA bevæger sig fra én organisme til en anden — ikke gennem formering, men via et "spring" på tværs af arter. Ifølge forskerne har en bakterie for længe siden overdraget sit isnukleerende gen til svampen. Skøn tyder på, at det skete for hundredtusinder eller endda millioner af år siden.
Et "lånt" gen — men kraftigt forbedret
Siden da har Mortierellaceae båret dette DNA-element i sit genom og forfinet det løbende. Hvis proteinet ikke gav nogen evolutionær fordel, ville genet for længst være forsvundet. Det modsatte skete — det blev bevaret, hvilket tyder på en reel gevinst.
Hvilken fordel kan svampen egentlig have af det? Her opstiller forskerne flere hypoteser: hurtigere isdannelse nær svampens hyfer kan have formet mikromiljøet i jorden, lettet adgangen til mineraler, beskyttet mod konkurrenter eller hjulpet i livscyklussen hos de planter, der er knyttet til denne svamp.
Svampeprotein som redskab til at styre regnvejr
Den mest spektakulære anvendelse er inden for meteorologi. I dag bruger man til såkaldt skybesåning blandt andet sølvjodid. Dette stof fremmer dannelsen af iskrystaller i skyer, hvilket kan udløse nedbør over et udvalgt område — men det har sine miljømæssige og økonomiske begrænsninger.
Svampeproteinet frister som et alternativ:
| Løsning | Fordele | Ulemper |
|---|---|---|
| Sølvjodid | afprøvet i praksis, velkendt teknologi | tungmetal, spørgsmål om miljøpåvirkning |
| Protein fra svamp | biologisk oprindelse, ingen tungmetaller, målrettet virkning | ingen storskalaproduktion endnu, sikkerhedstest nødvendige |
Hvis det lykkes at producere proteinet i store mængder, kunne man erstatte kemiske forbindelser med noget, der allerede forekommer naturligt i miljøet. Det er en fristende vision for klimateknik og landbrug i regioner, der kæmper med tørke.
Bedre nedfrysning af celler, væv og fødevarer
Et andet område er medicin og bioteknologi. Opbevaring af celler, væv eller embryoner ved lave temperaturer indebærer altid den samme risiko: for store iskrystaller sprænger strukturen i sårbare celler.
Dannes isen for sent, vokser der netop sådanne aggressive, store krystaller. Begynder frysningen lidt tidligere, får vandet mulighed for at forme en finere struktur, som er mindre skadelig for cellerne.
Proteinet fra Mortierellaceae kan fungere som en regulator — det aktiverer frysningen på det rette tidspunkt, så isen bliver mere "fløjlsblød" frem for aggressiv over for cellerne.
Enhver producent af frosne fødevarer kender det samme problem. Jo større iskrystaller i is, grøntsager eller kød, jo dårligere konsistens efter optøning. Svampeproteinet kan potentielt indgå i tests ved:
- opbevaring af embryoner og stamceller,
- væv- og blodbanker,
- produktion af is med glat konsistens,
- nedfrysning af frugt og grøntsager med delikat frugtkød.
Det største problem: billig og storskaladproduktion
Selvom hele konceptet lyder lovende, er laboratorier allerede stødt på en hård barriere: produktionsudbytte og omkostninger. Det er én ting at isolere proteinet i et reagensglas — noget helt andet at fremstille det i ton til brug over store byer eller hele fødevareproduktionslinjer.
Forskerne søger derfor bioteknologiske metoder: måske kan genet overføres til genetisk modificerede bakterier eller gær, der kan fungere som minifabrikker for proteinet. Samtidig skal der tages hensyn til stabilitet, sikkerhed og nem oprensning af produktet.
Hvis denne forhindring overvindes, kan en helt almindelig jordsvamp blive et kraftfuldt redskab for medicin, landbrug og meteorologi. Det er et eksempel på, hvordan et lille fragment DNA kan forandre hele brancher.
Hvad isnukleerende proteiner egentlig gør
For dem, der ikke til daglig beskæftiger sig med vandfasefysik, kan hele mekanismen lyde abstrakt. I korthed: vandmolekyler i flydende tilstand bevæger sig kaotisk. For at is kan dannes, skal de ordne sig i et regulært krystalnet.
Det isnukleerende protein stiller en "skabelon" til rådighed. Dets overflade har en form og ladningsfordeling, som vandmolekyler gerne tilpasser sig til. De første lag danner en kim til en krystal, der derefter vokser af sig selv.
Det minder lidt om at stille de første dominobrikker op. Uden dem sker der ingenting — men når de først står, falder resten næsten af sig selv.
Risici og spørgsmål, der skal besvares
At manipulere frysningsprocessen i stor skala rejser altid spørgsmål. Med svampeprotein skal man undersøge, hvordan det opfører sig i atmosfæren, i jord og i levende organismer. Selv hvis der er tale om et molekyle af naturlig oprindelse, er dets virkning i en økosystems mikroskala én ting — og en helt anden, når man begynder at sprøjte det ud over hele regioner.
Derudover er det værd at huske, at isnukleerende proteiner i landbrug og frugtavl også kan fremskynde frost på planter, hvilket ikke altid er ønskeligt. Den samme mekanisme, der redder nogle afgrøder, kan under andre omstændigheder skade andre. Derfor vil der være behov for detaljerede brugsscenarier og begrænsninger, inden proteinet når det brede marked.
Hele historien om Mortierellaceae viser, hvor fleksibel naturen er. Et gen fra en bakterie havner i en svamp, som bruger det som et redskab til at kontrollere is — og mennesket forsøger nu at udnytte dette redskab til sin fordel. Og det er langt fra oplagt, hvor grænsen går mellem klog udnyttelse og overdreven indgriben i processer, der har udviklet sig over millioner af år.
