En vardagssvamp döljer en överraskande förmåga

Forskare har upptäckt ett protein i en helt vanlig jordsvamp som får vatten att frysa till is vid temperaturer nära fryspunkten. Upptäckten kan få långtgående konsekvenser för klimatteknik, medicinsk förvaring och kvaliteten på frysta livsmedel.

Svampprotein som bildar is redan vid -2 grader

Ett internationellt forskarteam under ledning av Boris Vinatzer och Xiaofeng Wang från Virginia Tech har identifierat ett protein i svampar från familjen Mortierellaceae. Dessa svampar förekommer i enorma mängder i jordmånen överallt på planeten. Det rör sig om ett så kallat iskärnbildande protein — en molekyl som sätter igång kristallbildningen så snart temperaturen sjunker en aning under noll, cirka -2 grader Celsius.

Normalt kan mycket rent vatten kylas långt under fryspunkten utan att stelna. Utan föroreningar eller partiklar förblir molekylerna flytande, ibland långt under noll. Det fenomenet kallar fysiker underkylning. Svampproteinet bryter detta tillstånd genom att fungera som en perfekt ”ställning” som vattenmolekyler kan ordna sig på och bilda en iskristall.

Jordsvampens protein verkar som en startmotor för is — det ger vattnet den knuff som behövs för att frysa.

Liknande proteiner var redan kända från vissa bakterier, däribland Pseudomonas syringae, som länge har använts som modellorganism i laboratorier på grund av dess starka påverkan på isbildning. Det nya med svampvarianten är att den mycket enklare kan användas frikopplad från den cell som producerar den.

Därför är detta svampprotein så anmärkningsvärt

Hos bakterier kräver isbildningen att hela den levande cellytan är närvarande. Proteinerna sitter fast i cellmembranen och fungerar endast i det sammanhanget, vilket gör storskalig användning besvärlig och dyr. Proteinet från Mortierellaceae fungerar annorlunda: det är lätt lösligt i vatten och verkar utmärkt på egen hand i lösning.

Proteinet behöver inte vara bundet till en cell för att bilda is.
Det fungerar redan vid svagt negativa temperaturer, runt -2 grader.
Det kan i princip blandas in i vattenhaltiga system som dimma, livsmedel eller förvaringsmedier.

Dessa egenskaper gör proteinet betydligt mer praktiskt användbart utanför laboratoriet. Det kan — åtminstone teoretiskt — filtreras, koncentreras och tillsättas till processer där kontrollerad isbildning är önskvärd.

Forskarna beskrev sina resultat i tidskriften Science Advances. Med hjälp av DNA-sekvensering och bioinformatik lokaliserade de den gen som kodar för proteinet i svampens arvsmassa. Därmed är grunden lagd för framtida bioteknologisk storskalig produktion — exempelvis i jäst eller andra produktionsceller.

Ett gammalt genetiskt arv från en bakterie

Den genetiska analysen avslöjade något anmärkningsvärt: den aktuella genen hör egentligen inte hemma i svampens ursprungliga genom. Allt tyder på att en bakterie har överfört den för länge sedan via så kallad horisontell genöverföring, där DNA hoppar mellan arter som inte alls är i släkt med varandra.

Beräkningar och jämförelser med andra genom pekar på att denna genetiska ”gåva” troligen ägde rum för hundratusentals till kanske miljontals år sedan. Sedan dess har svampen bevarat och anpassat genen — ett tydligt tecken på att egenskapen har gett en överlevnadsfördel i jordmånen.

Svampar visar sig ibland inte bara vara nedbrytare av dött material, utan även smarta samlare av användbara gener från sin omgivning.

Horisontell genöverföring mellan så vitt skilda organismer är inte vardagsmat, men heller inget enastående undantag. Det visar hur flexibelt svamparnas arvsmassa kan vara. Istället för att utveckla ett komplext protein från grunden har de ombyggt en befintlig lösning från bakterievärlden till ett eget verktyg.

Från konstgjort regn till nedfrysning av organ

De praktiska konsekvenserna av denna upptäckt sträcker sig anmärkningsvärt brett. Forskarna ser tre områden där proteinet på sikt kan förändra mycket: väderpåverkan, medicinsk förvaring och livsmedelsteknologi.

Mer miljövänliga metoder för att framkalla regn

Vid konstgjort framkallad nederbörd — även kallad cloud seeding — sprids partiklar ut i moln för att snabbare bilda regndroppar eller snöflingor. Idag sker det typiskt med kemiska ämnen som silverjodid, en metod som i åratal har väckt frågor om miljöpåverkan och kostnader.

Ett biologiskt protein som redan i små mängder bildar iskristaller skulle kunna utgöra ett alternativ. I teorin kan pyttesmå droppar med svampprotein spridas i moln, där vattnet därefter kristalliserar snabbare till is. När iskristallerna växer och tynger faller de som snö eller regn mot marken.

Fördelar som forskarna pekar på:

biologiskt nedbrytbart och möjligen mindre giftigt än tungmetaller
riktat användbart i specifika molnsystem
potentiellt lägre miljöavtryck än nuvarande medel

Lagstiftningen om väderpåverkan är strikt i många länder. Storskalig användning kräver åratal av tester för säkerhet, spridning och oavsiktliga klimateffekter.

Bättre skydd av celler, vävnad och embryon

Inom medicin, fertilitetsbehandling och bioteknik handlar mycket om kryopreservering: den precisa nedfrysningen av levande celler, vävnad och embryon. Stora iskristaller är här den största risken, eftersom de kan punktera cellmembran och skada känsliga strukturer som DNA och proteiner.

Den som styr tidpunkten och sättet för nedfrysning precist begränsar isskadorna och ökar chansen för att celler överlever en fryscykel.

Genom att låta vattnet runt celler frysa vid lite högre temperaturer uppstår det fler och mindre kristaller. Dessa är mindre vassa och orsakar ofta färre skador. Svampproteinet skulle kunna fungera as ”isstartare” i förvaringsmedier för:

blodstamceller och immunoterapiceller
äggceller och embryon på fertilitetskliniker
känslig vävnad för transplantationsforskning

Den stora utmaningen är att ett sådant protein måste vara extremt rent, stabilt och säkert. Varje form av förorening eller oönskad reaktion i människokroppen utgör en risk. Kliniska tillämpningar ligger därför fortfarande långt fram i tiden, även om tekniken fungerar bra i laboratoriet.

Mjukare isstruktur i frysta varor

Även livsmedelsindustrin följer med stort intresse. Isstrukturen i exempelvis glass, grönsaker och kött avgör i hög grad hur konsumenten upplever kvaliteten. Stora kristaller ger en gryning, hård munkänsla och kan förstöra produkternas textur.

En kontrollerad, tidig isbildning med många små kristaller kan ge:

krämig glass med färre ”isnålar”
bättre bevarande av struktur i frukt och grönsaker
mindre dropp vid upptining av kött och fisk

Producenter måste dock vara säkra på att proteinet inte utlöser allergiska reaktioner och bevarar sin funktion under produktion, transport och förvaring. Märkning och konsumenternas acceptans spelar också en roll — många är skeptiska mot okända proteiner i sin mat, även om de har funnits i naturen i årtusenden.

Storskalig produktion är fortfarande det största hindret

För närvarande kan forskarna endast isolera proteinet i relativt små mängder. Till praktisk användning krävs helt andra volymer — tänk kilo per år till livsmedel eller rutinmässig kryopreservering, och möjligen ännu mer till meteorologiska ändamål.

Den mest uppenbara vägen framåt är bioteknologisk produktion:

sätt in genen i en lättodlad mikroorganism, exempelvis jäst
använd stora fermenteringstankar för att låta organismen producera proteinet
rena, koncentrera och formulera proteinet från kulturbuljången

Här uppstår frågor som: förblir proteinets struktur intakt, klumpar det sig inte ihop, och hur länge håller effekten under förvaring? Först när det är avklarat och kostnaderna sjunker kommer användning på industri- eller klimatnivå på allvar på tal.

Hur fungerar isbildning egentligen, och varför spelar det roll?

Vattenmolekyler är i konstant rörelse. Vid höga temperaturer kolliderar de så kraftigt att ingen fast struktur kan upprätthållas. Efterhand som det blir kallare rör de sig långsammare och kan ordna sig i det kända sexkantiga isgittret. Det kräver dock en startpunkt — som dammpartiklar, mineraler eller speciella proteiner.

Det första steget kallas nukleation: en pytteliten klump där vattenmolekyler redan är arrangerade i isstruktur. Från den punkten växer kristallen snabbt. Genom att styra nukleationen med proteiner som det från Mortierellaceae kan man bestämma när kristallerna uppstår och hur många som bildas. Många små kristaller ger ofta andra egenskaper än få stora.

I teknologiska processer spelar det en roll på många fronter. I energinät undersöks lagring av kyla och värme via fasövergångar i vatten. Inom jordbruk och fruktodling överväger forskare spraymedel som begränsar frostskador genom att styra isbildningen precist på blad och grenar. Detta svampprotein passar in i den växande verktygslådan inom ”ice management”.

Den som arbetar med cellkulturer eller biologiska prover i laboratoriet märker den praktiska betydelsen direkt. En mer stabil och förutsägbar frysprocess kan spara tid och pengar, samtidigt som det ökar chansen för att värdefulla prover kan användas igen efter frysning. Om jordsvampen till slut delar sin iskraft med vår teknologi kommer det inte bara vetenskapen till godo — utan även patientvård, jordbruk och kanske till och med smaken av en enkel glass.