V půdě žije zcela obyčejná houba se zcela neobyčejnou schopností: její protein dokáže přimět vodu k zamrznutí při teplotách, při nichž by za normálních okolností zůstala tekutá.
Vědci objevili protein, který mění vodu v led již kolem -2 stupňů Celsia. Co na první pohled vypadá jako kuriózní přírodní hříčka, může mít zásadní dopad na ovlivňování počasí, uchovávání orgánů a dokonce i na kvalitu mražených potravin.
Houbový protein, který „nastartuje" tvorbu ledu
Mezinárodní výzkumný tým vedený Borisem Vinatzerem a Xiaofengem Wangem z Virginia Tech zkoumal houby z čeledi Mortierellaceae, jež se běžně vyskytují v půdě. V jejich DNA narazili na gen kódující zvláštní protein, který slouží jako zárodečné místo pro ledové krystaly.
Tento protein funguje jako jakási šablona: molekuly vody se na něj navážou, uspořádají se do pravidelné struktury a vznikají ledové krystaly — již při přibližně -2 °C. Bez takového „semínka" může velmi čistá voda zůstat tekutá hluboko pod bodem mrazu. Fyzici tento jev nazývají přechlazením.
Tam, kde by obyčejná voda zůstala tekutá, tento houbový protein ji přinutí zamrznout — pouhý zlomek stupně pod nulou.
Za normálních okolností slouží jako místa vzniku ledových krystalů drobné nečistoty, prachové částice nebo určité bakterie. Houbová verze to řeší mnohem přímočařeji — prostřednictvím volného proteinu, který se jednoduše rozpustí ve vodě.
Proč je tento protein jiný než vše, co jsme dosud znali
Proteiny podporující tvorbu ledu byly dříve popsány u bakterií, například u Pseudomonas syringae. Tato bakterie se po desetiletí využívá ve výzkumu i v praktických aplikacích souvisejících se srážkami a namrzáním plodin.
Přesto má toto řešení výrazná omezení:
- bakteriální proteiny fungují spolehlivě pouze tehdy, je-li přítomna celá živá bakterie
- to ztěžuje jejich dávkování a kontrolu mimo laboratorní podmínky
- vypouštění živých bakterií do přírody vždy vyvolává otázky bezpečnosti a dopadů na životní prostředí
Nový houbový protein tyto problémy řeší najednou. Je zcela rozpustný ve vodě a funguje nezávisle na houbové buňce, která ho vytvořila. Výzkumníci tak nemusí šířit živé organismy — stačí samotný protein.
Protože protein funguje volně ve vodě, jeho cílené použití je mnohem snazší — od laboratorních experimentů až po případné rozsáhlé aplikace.
Výsledky byly publikovány v odborném časopise Science Advances. Pomocí sekvenování DNA a bioinformatiky se výzkumníkům podařilo přesně identifikovat gen v houbovém genomu, který je za tento mrazicí protein zodpovědný.
Genetický „dárek" od bakterií, darovaný dávno v minulosti
Původ proteinu je překvapivý. Gen původně nebyl součástí starého houbového DNA. V dávné minulosti přeskočil z bakterie na houbu prostřednictvím horizontálního genového přenosu — procesu, při němž jeden organismus přebírá hotovou genetickou informaci od zcela jiného druhu.
Podle analýz k tomu muselo dojít velmi dávno, přinejmenším před několika sty tisíci lety, možná i před miliony let. Od té doby houby tento gen uchovávaly a zdokonalovaly, což naznačuje, že jim v přirozeném prostředí přinášel zřejmou výhodu.
V biologii takový skok mezi různými říšemi organismů nenastává každý den, ale děje se to častěji, než se dříve předpokládalo. Houby se ukazují jako pozoruhodně pružné v přebírání a opětovném využívání cizí DNA — místo toho, aby budovaly nové funkce od základu, si prostě vypůjčí osvědčený trik od bakterie.
Od „setí" mraků až po lepší uchovávání orgánů
Praktické nápady spojené s tímto proteinem se mezitím hromadí. Jednou z nejdiskutovanějších možností je využití proteinu při tzv. setí mraků: metodě, při níž meteorologové usilují o vyvolání srážek vpravením určitých látek do oblačnosti.
Mnoho projektů k tomu dosud využívá jodid stříbrný, anorganickou látku, kolem níž přetrvávají otázky ohledně dopadu na životní prostředí a hromadění v ekosystémech. Biologicky rozložitelný protein pocházející z půdní houby by mohl být přívětivější alternativou.
Výzkumníci uvažují o budoucnosti, v níž přirozený protein převezme roli jodidu stříbrného při umělém vyvolávání deště nebo sněhu.
Druhým velkým potenciálním využitím je kryoprezervace: dlouhodobé uchovávání buněk, tkání nebo embryí při extrémně nízkých teplotách. Největším problémem při ní bývá právě růst ledu. Zamrzne-li voda příliš pozdě a příliš náhle, vznikají velké, ostré krystaly, které buňky doslova roztrhají.
Spuštění tvorby ledu o něco dříve vede ke vzniku mnohem menších krystalů. Ty jsou méně agresivní a šetří jemné struktury uvnitř i kolem buňky. Houbový protein se zdá být přesně schopen podporovat tento typ jemných, časných ledových krystalů.
Co z toho může těžit potravinářský průmysl
Zájem projevuje i potravinářský sektor. Textura mražených výrobků úzce závisí na velikosti ledových krystalů — vzpomeňte si na rozdíl mezi krémovou zmrzlinou a nádobou plnou tvrdých, vodnatých šupinek.
Řízená, časná tvorba ledu může pomoci:
- dosáhnout hladší struktury zmrzliny a sorbetů
- snížit ztrátu šťávy při rozmrazování zeleniny
- udržet maso a ryby po rozmrazení šťavnatější
- lépe řídit tvorbu krystalů v prémiových dezertech
Pokud budou výrobci schopni přesně ovlivňovat, kdy a jak v jejich produktech vznikají ledové krystaly, otevře se tím cesta ke stabilnější kvalitě v celém chladicím řetězci.
Velká překážka: výroba dostatečného množství proteinu za přijatelnou cenu
Než začnou mraky, nemocnice a výrobny zmrzliny masově využívat houbový protein, čeká výzkumníky nelehký technický úkol: výroba ve velkém měřítku. Protein musí být vyrobitelný ve velkých množstvích, spolehlivě a levně.
Vědci uvažují o bioreaktorech s geneticky upravenými mikroorganismy, které by protein nepřetržitě produkovaly — podobně jako se dnes vyrábí inzulín nebo některé vakcíny. To si vyžádá optimalizaci v několika oblastech:
| Krok | Výzva |
|---|---|
| Vložení genu | zajistit stabilní produkci proteinu ve vhodném hostitelském organismu |
| Zvětšení měřítka | přejít od litrů na tisíce litrů fermentace bez ztráty kvality |
| Purifikace | rychlé a levné oddělení proteinu od ostatních látek |
| Stabilita | zachování účinnosti během přepravy a skladování |
Teprve až bude tato skládanka víceméně složena, přijdou na řadu rozsáhlé aplikace. Do té doby zůstává protein především slibným nástrojem pro výzkumné laboratoře.
Nové otázky o řízení tvorby ledu
Výzkum tohoto houbového proteinu se dotýká širších témat spojených s vodou a ledem. Led nevzniká jen v mrazničkách — vzniká také v oblacích, v povrchové vrstvě půdy a na plodinách. Drobné změny v rychlosti a místě vzniku ledu mohou ovlivnit zemědělské škody, tvorbu krupobití nebo strukturu sněhu a ledovců.
Klimatické modely již dnes berou v potaz biologické částice — jako jsou pylová zrna a bakterie — které pomáhají tvořit ledové krystaly v atmosféře. Nový typ mimořádně aktivního proteinu z hub může znamenat, že role půdního života při tvorbě oblačnosti je větší, než se dosud předpokládalo.
Pro odborníky pracující v kryotechnice nebo biomedicínském skladování tento výzkum ukazuje, že vedle chemických nemrznoucích látek existují také biologické nástroje, které umožňují řídit tvorbu ledu jemnějším způsobem. Místo co nejdelšího oddalování vzniku ledu ho lze vědomě spustit o něco dříve — ale kontrolovaně.
Za hranicemi laboratoře vyvstávají praktické otázky: co by takový protein znamenal pro zemědělce potýkající se s přízemními mrazíky? Mohl by řízený aerosol s tímto proteinem lépe ochránit ovocné květy — nebo by naopak způsobil větší škody tím, že led vznikne rychleji? Taková scénáře vyžadují cílené terénní experimenty, v nichž budou přesně měřeny teplota, vlhkost vzduchu a koncentrace proteinu.
Každý, kdo s podobnými technikami pracuje, musí zároveň sledovat možná rizika. Protein urychlující tvorbu ledu rozhodně nechcete na lopatách proudových motorů ani na křídlech letadel, kde záleží na každém stupni. Stejně jako u všech biotechnologických prostředků jde v konečném důsledku o kontext: kde urychlené zamrzání pomáhá — a kde je naopak žádoucí ho zpomalit.
