Ein uansjeleg jordsopp viser seg å vere ismeistar
Ein tilsynelatande heilt ordinær sopp som lever i vanleg jord har synt seg å ha ei bemerkelsesverdig evne til å kontrollere is. Forskarar meiner han kan revolusjonere måten vi handterer vatn og frysing på.
Forskarar frå Virginia Tech har identifisert eit protein som får reint vatn til å fryse nesten augneblinksvis — allereie ved mild frost. Viss det lukkast å produsere det billeg, kan det nyttast innan meteorologi, medisin, landbruk og næringsmiddelindustri.
Ein hagesopp som fremskyndar isdanning
Laget leidd av Boris Vinatzer og Xiaofeng Wang retta merksemda mot soppar frå familien Mortierellaceae. Desse høyrer til dei mest utbreidde jordorganismane — dei finst i skogar, på åkrar og i hagane rundt husa. I arvemassen deira fann forskarane eit gen som kodar for eit uvanleg protein som fungerer som ein startar for frysinga av vatn.
Under normale omstende kan reint vatn utan ureiningar forbli flytande sjølv under null grader. Fysikarar har lenge vore fascinerte av fenomenet underkjøling, der temperaturen fell, men iskrystallar enno ikkje dannar seg fordi dei manglar eit «stillas» å vekse på.
Det er nett dette soppproteinet leverer: det skapar ei overflate der vassmolekyl ordnar seg i ein regelmessig struktur, slik at is dannar seg allereie ved om lag -2 °C. Forskarane skildrar proteinet som ein mal for iskrystallar. Så snart underkjølt vatn er i nærleiken, startar overgangen til fast form overraskande raskt.
Difor er soppens versjon av proteinet så eksepsjonelt
Til no har ein primært knytt denne evna til bakteriar, særleg arten Pseudomonas syringae, som mellom anna vert nytta i forsking på kunstig framkalla nedbør. Men bakterielle protein har ei vesentleg avgrensing: dei må vanlegvis forbli bundne til ei levande, intakt celle for å verke.
Proteinet frå soppen oppfører seg annleis. Det er vassløyseleg og fungerer effektivt skilt frå cella som produserte det. Det tyder at det kan:
- isolerast og oppbevarast i løysing
- tilsetjast vatn eller andre væsker som eit vanleg tilsetjingsstoff
- testast under vidt ulike tilhøve utan omsyn til organismens overleving
- oppbevarast ved romtemperatur i ein periode
- kombinerast med andre stoff
Denne fleksibiliteten i bruken gjer at biologar og ingeniørar ser eit langt større praktisk potensial i det enn i bakterielle protein.
Eit gen lånt frå bakteriar for svært lenge sidan
Ein DNA-analyse av soppen frå familien Mortierellaceae viste at genet som kodar for frysingsinitiatorproteinet ikkje er ein del av det opphavlege genetiske utstyret hennar. Alt tyder på at det vart overteke frå bakteriar via såkalla horisontal genoverføring.
I denne prosessen hoppar eit stykke genetisk materiale mellom evolusjonært fjerne organismar — utan klassisk arv frå forelder til avkom. Det minner om å plutseleg laste opp eit framand program til ein datamaskin som er laga for noko heilt anna.
Forskarane anslår at dette «genetiske lånet» kan ha funne stad for hundretusenvis, kanskje endåtil millionar av år sidan, og at soppen sidan har forbetra genet etter eigne behov. Sidan genet har halde seg så lenge, gjev det truleg soppen konkrete fordelar — kanskje hjelper det han å overleve i område der jorda ofte frys, påverkar kontakten med vatn i mikroskopiske rom mellom jordpartiklar, eller endrar forholdet til andre mikroorganismar i økosystemet.
Frå skyer til celleoppbevaring — kvar kan proteinet nyttast?
Eitt av dei sentrale bruksområda som forfattarane av studien nemner, er såkalla skysåing — ein teknikk for å framkalle regn eller snø. I dag vert mellom anna sylvjodid nytta til dette føremålet, eit stoff som verkar, men er problematisk for miljøet og skapar debatt.
Soppproteinet er eit biologisk molekyl som bryt naturleg ned, og kunne ein dag erstatte desse kjemikaliane. Teoretisk sett ville det berre krevje å sprøyte ei proteinhaldig løysing inn i skyer for å lette danninga av iskrystallar og etterfølgjande nedbør.
For tørkeramma regionar ville det vere ein interessant moglegheit, sjølv om spørsmål om etikken bak «vêrkontroll» og moglege sideverknader på naboregionar melder seg.
Tryggare frysing av celler og vev
Eit anna område der proteinet kunne gjere ein stor skilnad, er kryopreservering — oppbevaring av celler, embryo, vev eller frø ved låge temperaturar. Hovudproblemet i desse prosessane er at viss vatnet rundt cellene frys for seint, dannar det seg store, skarpe iskrystallar som bokstaveleg tala flengjer biologiske strukturar frå kvarandre.
Vert frysinga sett i gang litt tidlegare, vert krystallane mindre og meir jamne, og skadar dermed cellene langt mindre aggressivt. Soppproteinet kan verke på nett den måten: det «bestemmer» augneblinkken isen startar, slik at heile prosessen går rolegare og meir føreseieleg for seg. Dette er eit verdifullt perspektiv for cellebankar, fertilitetsklinikar og senter som bevarer genetisk materiale frå truga artar.
Innan medisinen kunne eit slikt protein betre suksessraten for organtransplantasjonar. Forskarar frå universitet verda over undersøker korleis presis kontroll av isdanning påverkar overlevinga til vev etter opptining.
Betre kvalitet i frosne matvarer
Storleiken på iskrystallar er òg avgjerande for matprodukt. Alle som har ete is full av harde klumpar eller kjøt med øydelagd struktur etter opptining, kjenner problemet frå eige kjøkken.
I næringsmiddelindustrien vert allereie ulike hurtigfrysingsmetodar nytta for å avgrense krystallvekst. Å tilsetje eit frysingsinitiatorprotein ville kunne styre denne prosessen endå meir presist. Resultatet kunne til dømes bli:
- is med ein glattare, kremaktigare konsistens
- frosne frukt som fell mindre frå kvarandre etter opptining
- fisk og kjøt med ei meir naturleg struktur etter foredling
- grønsaker med betre smak og næringsinnhald
- ferdigrettar med høgare kvalitet etter oppvarming
- dessertar med ein finare tekstur
Den største hindringen — storskala produksjon av proteinet
Sjølv om forskingsresultata ser lovande ut på laboratorienivå, er vegen til praktiske bruksområde lang. Proteinet må produserast i enorme mengder til kostnadar som er akseptable for landbruk, næringsmiddelindustri eller medisin.
Teoretisk kan dette gjerast på fleire måtar. Ein kan genetisk modifisere gjær eller bakteriar til å produsere proteinet i fermenteringstankar, slik som insulin vert produsert i dag. Ei anna moglegheit er å dyrke genetisk modifiserte plantar som fungerer som «fabrikkar» for proteinet. Ein tredje variant er direkte kjemisk syntese i laboratoriet — men det er førebels dyrt.
I tillegg kjem regulatoriske spørsmål: bruk i skyer, i medisin eller i matvarer krev ulike og ofte svært strenge tryggleikstest. Det faktum at proteinet stammar frå naturen, garanterer ikkje automatisk full aksept frå tilsynsstyresmaktene. Både European Food Safety Authority og den amerikanske Food and Drug Administration vil krevje omfattande studiar.
Kva det lærer oss om is og om livet
Historia om soppproteinet knyter saman fysikk og biologi på fascinerande vis. Frysing vert ofte framstilt som ein reint fysisk prosess som er avhengig av temperatur og trykk. Her ser ein at levande organismar kan gripe inn i denne prosessen med svært presise, spesialiserte molekyl.
For biologar er dette eit signal om at andre tilsynelatande «reint fysiske» fenomen i miljøet kan ha motstykke som vert kontrollerte av mikroorganismar. Kanskje finst det heile sett av protein i jord, atmosfære eller hav som hjelper organismar med å tilpasse seg ekstreme temperaturar, tørke eller varierande fukt.
Frå eit praktisk perspektiv er sjølve underkjølingsfenomenet verdt å forstå, for mange opplever det faktisk heime. Av og til ser ei flaske i frysaren ut til å innehalde flytande vatn, men etter eit lett støyt byrjar ho plutseleg å forvandle seg til is — det er eit døme på spontan overgang frå underkjølt vatn til fast tilstand når det møter den rette utløysaren.
Proteinet skildra av laget frå Virginia Tech fyller på eit vis rolla som ein slik utløysar — berre ein som er uvanleg presis og føreseieleg. Vitskapen prøver no å omsetje dette naturens triks til eit reiskap som kan nyttast i skyer, reagensglas og industrielle fryseanlegg, utan at den økologiske og etiske fornufta går tapt på vegen.
