En havesvamp, der fremskynder isdannelse
Det lyder som magi, men det er konkret biokemi. Noget, der tidligere virkede som ren fysik, drejer pludselig kraftigt i retning af biologien. Forskere har vist, at visse organismer bogstaveligt talt kan "trykke på aftrækkeren" for is – og et tilsyneladende ubetydeligt protein fra en almindelig jordsvamp kan potentielt forandre landbruget, medicinen og den måde, vi styrer nedbør 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 jordbunden stort set overalt på kloden – også i almindelige haver og på dyrkede marker.
Holdet identificerede et protein i disse svampe, der fungerer som et krystallisationskerne. Det betyder, at proteinet udløser isdannelse i vand allerede ved omkring -2°C – altså ved en temperatur, der kun er en smule lavere end det normale frysepunkt for rent vand.
Proteinet fungerer som et stillads for vandmolekyler – det organiserer dem, så de hurtigere arrangerer sig til is i stedet for at forblive i en underafkølet flydende tilstand i lang tid.
Det fænomen, hvor vand forbliver flydende under 0°C, kaldes underafkøling af fysikere. Uden de rette "krystallisationskerner" kan vand forblive i denne tilstand overraskende længe. Proteinet fra Mortierellaceae forkorter denne proces ved at tilbyde en ideelt forberedt overflade, som iskrystaller kan begynde at vokse på.
Hvorfor denne svampeversion er så bemærkelsesværdig
Lignende evner var tidligere kun kendt hos visse bakterier, for eksempel Pseudomonas syringae, hvor proteiner ligeledes kan igangsætte frysning. Forskellen ligger i, hvordan man kan anvende dem i praksis.
Hos bakterier fungerer proteinet kun effektivt, når det er bundet til en levende, intakt celle. Fra et praktisk synspunkt er det en betydelig begrænsning. Man er nødt til at holde de skrøbelige mikroorganismer i live og sikre deres stabilitet og biologiske sikkerhed.
Svampeproteinet har en helt 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 lettere 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 benyttede holdet DNA-sekventering og bioinformatiske værktøjer. Forskerne analyserede Mortierellaceaes genom for at finde det specifikke gensegment, der er ansvarligt for produktionen af det isinitierende protein.
Da det konkrete gen var identificeret, sammenlignede de det med eksisterende databaser – og her dukkede endnu en overraskelse op. Genet lignede overhovedet ikke typiske segmenter fra svampegenom.
Analysen viste, at det afgørende gen kom ind i svampen udefra via det, der kaldes horisontal genoverførsel.
Det er en mekanisme, hvor DNA passerer fra én organisme til en anden – ikke gennem formering, men via et "spring" på tværs af arterne. Ifølge forskerne overførte en bakterie for meget længe siden et gen for et isinitierende protein til svampen. Skøn peger på hundreder af tusinder, ja endda millioner af år tilbage i tiden.
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 fordel, ville genet for længst være forsvundet. Det modsatte er sket – genet er bevaret, hvilket antyder en reel evolutionær gevinst.
Hvilken fordel kan svampen have af det? Her opstiller forskerne flere hypoteser: hurtigere isdannelse nær svampetråde kan have formet mikromiljøet i jorden, lette adgangen til mineraler, beskytte mod konkurrenter eller hjælpe i livscyklussen for de planter, som svampen lever i symbios med.
Svampeprotein som redskab til at styre nedbør
Den mest spektakulære anvendelse ligger inden for meteorologi. I dag bruges blandt andet sølvjodid til såkaldt skyfrøning – en metode, der fremmer dannelsen af iskrystaller i skyer og dermed kan udløse nedbør over et bestemt område. Det har dog både miljømæssige og økonomiske begrænsninger.
Svampeproteinet er en fristende alternativ mulighed:
| Løsning | Fordele | Ulemper |
|---|---|---|
| Sølvjodid | Afprøvet i praksis, velkendt teknologi | Tungmetal, spørgsmål om miljøpåvirkning |
| Svampeprotein | Biologisk oprindelse, ingen tungmetaller, målrettet virkning | Ingen storskalproduktion endnu, sikkerhedstest er nødvendige |
Hvis det lykkedes at fremstille proteinet i store mængder, kunne man erstatte kemiske forbindelser med noget, der allerede forekommer naturligt i miljøet. Det er en forlokkende vision for klimateknik og landbrug i regioner, der kæmper med tørke.
Bedre frysning 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, der ødelægger strukturen i sårbare celler.
Hvis isen dannes for sent, vokser netop disse aggressive, store krystaller. Begynder frysningen lidt tidligere, får vandet mulighed for at danne en finere struktur, der er langt mindre skadelig for cellerne.
Proteinet fra Mortierellaceae kan fungere som en regulator – det aktiverer frysningen på det rette tidspunkt, så isen bliver mere "fløjlsblød" i stedet for at være ødelæggende for cellerne.
Det samme problem kender enhver producent af frosne fødevarer. Jo større iskrystaller der dannes i is, grøntsager eller kød, desto dårligere bliver konsistensen efter optøning. Derfor er fødevareindustrien interesseret i stoffer, der kan påvirke iskrystalstørrelsen.
Svampeproteinet kan ende i tests til følgende anvendelser:
- Opbevaring af embryoner og stamceller
- Væv- og blodbanker
- Produktion af is med en glat, cremet tekstur
- Frysning af frugt og grøntsager med delikat frugtkød
Den største udfordring: billig og storskalig produktion
Selvom hele konceptet lyder lovende, er laboratorierne allerede stødt på en hård barriere: effektivitet og produktionsomkostninger. Det er én ting at isolere proteinet i et reagensglas – noget helt andet at fremstille det i tons til brug over storbyer eller i hele fødevareproduktionslinjer.
Forskerne undersøger derfor bioteknologiske metoder. Måske kan genet indsættes i genetisk modificerede bakterier eller gær, der kan fungere som mini-proteinfabrikker. Det kræver samtidig opmærksomhed på stabilitet, sikkerhed og nem oprensning af produktet.
Hvis denne forhindring overvindes, kan en helt almindelig jordsvamp blive et kraftfuldt redskab inden for medicin, landbrug og meteorologi. Det er et eksempel på, hvordan et lille stykke DNA kan ændre hele brancher.
Hvad isinitierende proteiner egentlig gør
For dem, der ikke til daglig beskæftiger sig med vandfasefysik, kan hele mekanismen virke abstrakt. I forenklet form: vandmolekyler i flydende tilstand bevæger sig kaotisk. For at der kan dannes is, skal de arrangere sig i et ordnet krystalnetværk.
Det isinitierende protein stiller en "skabelon" til rådighed. Dets overflade har en form og en ladningsfordeling, som vandmolekyler gerne tilpasser sig. De første lag danner en krystalkerne, som 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 stadig mangler svar
At manipulere frysningsprocessen i stor skala rejser altid vigtige spørgsmål. For svampeproteinets vedkommende bliver det nødvendigt at undersøge, hvordan det opfører sig i atmosfæren, i jordbunden og i levende organismer. Selv om der er tale om et naturligt forekommende molekyle, er dets virkning i et økosystems mikroskala en helt anden end den, der opstår, når man begynder at sprøjte det ud over hele regioner.
Det er desuden værd at huske, at isinitierende proteiner i landbruget og frugtavlen også kan fremskynde frosskader på planter – hvilket ikke altid er ønskeligt. Den samme mekanisme, der redder én afgrøde, kan under andre omstændigheder skade en anden. Derfor vil der være behov for detaljerede anvendelsesscenarier og begrænsninger, inden proteinet kan nå det brede marked.
Hele historien om Mortierellaceae viser, hvor fleksibel naturen kan være. Et gen fra en bakterie hopper over i en svamp, svampen gør det til et redskab til at kontrollere is – og mennesket forsøger at udnytte dette redskab til sin egen fordel. Og det er langt fra åbenlyst, hvor grænsen går mellem smart udnyttelse og overdreven indgriben i processer, der har udviklet sig over millioner af år.
