En obetydlig organism i trädgårdsjorden kan styra frysprocessen på ett sätt som kan förändra meteorologi, medicin och livsmedelsindustri
Forskare vid Virginia Tech har identifierat ett protein som får rent vatten att frysa nästan omedelbart vid svag kyla. Om det går att tillverka det billigt kan det komma att användas inom meteorologi, medicin, jordbruk och livsmedelsproduktion.
Teamet, lett av Boris Vinatzer och Xiaofeng Wang, fokuserade på svampar ur familjen Mortierellaceae. De hör till de allra vanligaste organismerna i jord – du hittar dem i skogar, på åkrar och i din egen trädgård. I deras arvsmassa hittade forskarna en gen som kodar för ett exceptionellt protein som fungerar som en utlösare för isbildning.
Svampprotein fungerar som en mall för iskristaller
Under normala förhållanden kan rent vatten utan föroreningar förbli flytande även under noll grader Celsius. Fysiker har länge fascinerats av fenomenet underkylt vatten, där temperaturen sjunker men iskristaller ännu inte bildas eftersom de saknar ett ”byggnadsställning” att strukturera sig kring. Det är precis vad svampproteinet tillhandahåller – det skapar en yta där vattenmolekylerna ordnar sig och bildar is redan vid ungefär minus två grader Celsius.
Forskarna beskriver att proteinet beter sig som en förlaga för iskristaller. Så snart underkylt vatten befinner sig i dess närhet sker övergången till fast form förvånansvärt snabbt. Molekylerna ordnar sig efter proteinets struktur och isen bildas i princip omedelbart.
Tidigare kopplades liknande förmåga framför allt till bakterier, särskilt arten Pseudomonas syringae, som bland annat används i forskning om konstgjord nederbördsbildning. Bakteriella proteiner har dock en betydande begränsning – för att fungera måste de vanligtvis vara kopplade till en levande, oskadad cell.
Svampproteinet beter sig annorlunda. Det är vattenlösligt och fungerar effektivt separat från cellen som skapade det. Det innebär att man kan:
- isolera det och förvara det i lösning
- tillsätta det till vatten eller andra vätskor som en vanlig ingrediens
- testa det under olika förhållanden utan att behöva hålla organismen vid liv
- använda det i industriell skala utan att odla levande kulturer
- kombinera det med andra ämnen för specifika tillämpningar
- transportera det utan särskilda biologiska krav
Den här friheten i användningen gör att biologer och ingenjörer ser en betydligt större praktisk potential i det jämfört med bakteriella alternativ. Vattenlösligheten öppnar möjligheter som tidigare var ouppnåeliga.
Hur svampen fick en gen som ursprungligen tillhörde bakterier
En DNA-analys av svampar ur familjen Mortierellaceae visade att genen som kodar för isbildningsproteinet inte är en del av deras ursprungliga genetiska utrustning. Allt tyder på att den övertogs från bakterier via så kallad horisontell genöverföring.
I en sådan process hoppar ett fragment av genetiskt material mellan evolutionärt avlägsna organismer – utan klassiskt arv från förälder till avkomma. Det liknar att plötsligt ladda upp ett främmande program i en annorlunda konstruerad dator. Forskarna uppskattar att denna ”genetiska lån” kan ha skett för hundratusentals, kanske till och med miljoner år sedan, varefter svamparna började förfina den efter sina egna behov.
Om genen har överlevt så länge ger den troligtvis svampen konkreta fördelar. Kanske hjälper den den att överleva i områden där marken ofta fryser, påverkar kontakten med vatten i mikroskopiska utrymmen mellan jordpartiklar, eller förändrar relationerna med andra mikroorganismer i ekosystemet. Forskarna vid Virginia Tech fortsätter att studera de evolutionära mekanismerna bakom denna anpassning.
Var kan vi använda förmågan att styra is?
Ett av de främsta användningsområdena som forskarna lyfter fram är så kallad molnsådd – en teknik för att framkalla regn eller snö. Idag används bland annat silverjodit för detta ändamål, ett verksamt ämne som dock inte är miljöneutralt och som väcker debatt.
Svampproteinet, som en biologisk molekyl som bryts ner i naturen, skulle en dag kunna ersätta sådana kemikalier. Teoretiskt sett skulle det räcka med att sprida en lösning innehållande proteinet i moln för att underlätta bildningen av iskristaller och därmed nederbörd. För regioner som drabbas av torka vore det en intressant väg framåt, även om etiska frågor om ”väderstyrning” och möjliga konsekvenser för angränsande områden också uppstår.
Ett annat område där proteinet kan göra stor skillnad är kryopreservation – bevarandet av celler, embryon, vävnader eller frön vid låga temperaturer. Det centrala problemet i sådana processer är att om vattnet runt cellerna fryser för sent bildas stora, vassa iskristaller som bokstavligen sliter sönder biologiska strukturer.
Varför storleken på iskristaller är avgörande för celler och livsmedel
Om frysningsprocessen startar lite tidigare blir kristallerna mindre och mer enhetliga, vilket innebär att de inte skadar cellerna lika aggressivt. Svampproteinet kan fungera på precis det här sättet – det ”bestämmer” när isen ska börja bildas, så att hela processen sker lugnare och mer förutsägbart.
Det är ett värdefullt perspektiv för cellbanker, fertilitetsklinikar och centra som bevarar genetiskt material från hotade arter. Forskare vid universiteten i Connecticut och Kalifornien testar redan liknande metoder på vävnader.
Storleken på iskristaller är också avgörande i livsmedel. Den som ätit glass full av hårda isklumpar eller kött med förstörd konsistens efter upptiningen känner igen problemet från det egna köket. Inom livsmedelsindustrin har olika metoder för snabbfrysning använts i åratal för att begränsa kristallväxten.
Att tillsätta ett isbildningsprotein skulle kunna ge ännu mer exakt kontroll över den processen. Resultatet skulle bland annat kunna bli:
- glass med slätare, krämigare konsistens
- fryst frukt som faller isär mindre efter upptiningen
- fisk och kött med naturligare struktur efter bearbetning
- fryst grönsaker som bevarar vitaminer och textur
- färdigrätter med bättre sensoriska egenskaper
- produkter med längre hållbarhet utan kvalitetsförlust
- lägre energiförbrukning i frysprocesser
Den största utmaningen: att tillverka proteinet i stor mängd
Även om forskningsresultaten ser lovande ut på laboratorieskala är vägen till verkliga tillämpningar lång. Proteinet behöver produceras i enorma mängder och till kostnader som är acceptabla för jordbruk, livsmedelsindustri och medicin.
Teoretiskt kan detta göras på flera sätt. Ett alternativ är att genetiskt modifiera bakterier eller jästsvampar för att producera svampproteinet i fermentorer, på liknande sätt som insulin tillverkas idag. En annan väg är att direkt odla svampar ur familjen Mortierellaceae i bioreaktorer och extrahera proteinet från deras biomassa. Ett tredje alternativ är kemisk syntes, om det går att kartlägga molekylens struktur i detalj.
Till detta kommer regulatoriska frågor: användning i moln, inom medicin eller i livsmedel kräver olika, ofta mycket strikta säkerhetsprövningar. Enbart det faktum att proteinet är av naturligt ursprung garanterar inte automatiskt godkännande från tillsynsmyndigheter. Europeiska myndigheten för livsmedelssäkerhet och den amerikanska FDA kommer att kräva omfattande data.
Forskarna vid Virginia Tech samarbetar med bioteknikföretag för att optimera tillverkningsprocesserna. Målet är att sänka kostnaderna till en nivå som möjliggör kommersiell användning inom fem till tio år.
Vad svampproteinet berättar om livet och fysikaliska processer
Den här proteinets historia förbinder fysik och biologi på ett fascinerande sätt. Frysning uppfattas ofta som en rent fysikalisk process beroende av temperatur och tryck. Men här ser vi att levande organismer kan påverka den processen med mycket specifika, specialiserade molekyler.
För biologer är det ett tecken på att andra, till synes ”rent fysikaliska” fenomen i miljön kan ha sina motsvarigheter som styrs av mikroorganismer. Kanske finns det hela uppsättningar av proteiner i jord, atmosfär eller hav som hjälper organismer att anpassa sig till extrema temperaturer, torka eller varierande luftfuktighet. Forskare vid Max Planck-institutet har redan hittat liknande mekanismer hos marina alger.
Ur ett praktiskt perspektiv är det värt att förklara fenomenet underkylt vatten, eftersom många stöter på det hemma. Ibland ser en dryck i en flaska i frysen ut att vara flytande, men efter ett lätt knacktag börjar den plötsligt förvandlas till is – det är just ett exempel på spontan övergång från underkylt vatten till fast form när det möter rätt utlösare.
Proteinet som Virginia Tech-teamet beskrivit fyller i viss mening rollen som just en sådan utlösare – men på ett otroligt precist och förutsägbart sätt. Vetenskapen försöker nu förvandla detta naturens knep till ett verktyg som kan användas i moln, provrör och industriella fryslager, utan att tappa det ekologiska och etiska förnuftet längs vägen. Kanske ser du snart den här tekniken i praktiken.
