V půdě žije zcela obyčejná houba s překvapivou schopností: její protein dokáže přimět vodu ke zmrznutí při teplotách, kdy by normálně zůstala tekutá.
Vědci narazili na protein, který mění vodu v led již kolem -2 stupňů Celsia. Co zní jako kuriozita přírody, může mít zásadní důsledky pro ovlivňování počasí, uchovávání orgánů a dokonce i kvalitu mražených potravin.
Houbový protein, který vodu „přesvědčí" k tvoření ledu
Mezinárodní výzkumný tým vedený Borisem Vinatzerem a Xiaofengem Wangem z Virginia Tech zkoumal houby z čeledi Mortierellaceae, běžně se vyskytující v půdě. V jejich DNA objevili gen kódující výjimečný protein, který slouží jako zárodečné místo pro tvorbu ledových krystalů.
Tento protein funguje jako jakási šablona: molekuly vody se na něj navazují a uspořádávají se do pravidelné struktury, načež vznikají ledové krystaly — a to již přibližně při -2 °C. Bez takového „semínka" může velmi čistá voda zůstat tekutá hluboko pod bodem mrazu. Fyzikové tento jev nazývají přechlazením.
Tam, kde běžná voda ještě teče, přinutí tento houbový protein již ke krystalizaci ledu — pouhý zlomek stupně pod nulou.
Za normálních okolností slouží jako zárodečná místa pro ledové krystaly drobné nečistoty, prachové částice nebo určité bakterie. Houbový protein to řeší mnohem přímočařeji — prostřednictvím volně rozpustného proteinu, který se jednoduše rozpustí ve vodě.
Proč je tento protein jiný než vše, co jsme dosud znali
Proteiny podporující tvorbu ledu byly dříve známy především u bakterií, například u Pseudomonas syringae. Tato bakterie se po desetiletí využívá ve výzkumu a někdy i v aplikacích spojených se srážkami a mrazem na plodinách.
Přesto má toto řešení zásadní omezení:
- bakteriální proteiny fungují spolehlivě pouze v přítomnosti celé živé bakterie
- jejich dávkování a kontrola mimo laboratoř je proto obtížná
- uvolňování živých bakterií do přírody vždy vyvolává otázky bezpečnosti a vlivu na životní prostředí
Nový houbový protein řeší všechny tyto problémy najednou. Je plně rozpustný ve vodě a funguje nezávisle na houbové buňce, která ho vytvořila. Vědci tak nemusejí šířit živé organismy — stačí samotný protein.
Díky tomu, že protein působí volně ve vodě, je jeho cílené využití mnohem jednodušší — od laboratorních pokusů až po případné rozsáhlé aplikace.
Výsledky byly publikovány v odborném časopise Science Advances. Pomocí sekvenování DNA a bioinformatiky se výzkumníkům podařilo v houbovém genomu přesně identifikovat gen zodpovědný za tvorbu tohoto proteinu.
Genetický „dárek" od bakterií z dávné minulosti
Genetický původ tohoto proteinu je překvapivý. Gen původně nebyl součástí starého houbového DNA. V dávné minulosti přeskočil z bakterie do houby prostřednictvím horizontálního přenosu genů — procesu, při němž jeden organismus přebírá hotovou genetickou informaci od zcela jiného druhu.
Podle analýz k tomu muselo dojít před velmi dlouhou dobou — přinejmenším před několika sty tisíci lety, možná před miliony let. Od té doby houby tento gen uchovaly a zdokonalovaly. To naznačuje, že jim přinesl zřejmou výhodu v jejich přirozeném prostředí.
V biologii takový přeskok mezi různými říšemi organismů není každodenní záležitostí, ale děje se častěji, než se dříve předpokládalo. Houby se ukazují jako pozoruhodně flexibilní v přejímání a opětovném využívání cizí DNA. Místo aby budovaly novou funkci zcela od základů, si někdy jednoduše vypůjčí osvědčený trik od bakterie.
Od „setí" mraků po lepší uchovávání orgánů
Praktické možnosti využití tohoto proteinu se postupně rozrůstají. Jednou z nejdiskutovanějších je jeho použití při takzvaném setí mraků — metodě, při níž meteorologové usilují o vyvolání srážek vpravováním látek do oblačnosti.
Mnohé projekty k tomu dosud využívají jodid stříbrný, anorganickou látku, kolem níž přetrvávají otázky ohledně vlivu na životní prostředí a hromadění v ekosystémech. Biologicky rozložitelný protein pocházející z půdní houby by mohl být přívětivější alternativou.
Vědci si představují budoucnost, v níž přírodní protein nahradí jodid stříbrný při umělém vyvolávání deště nebo sněhu.
Druhou slibnou oblastí je kryoprezervace: dlouhodobé uchovávání buněk, tkání nebo embryí při extrémně nízkých teplotách. Největším problémem při tomto procesu bývá právě růst ledových krystalů. Pokud voda zamrzne příliš pozdě a příliš náhle, vznikají velké, ostré krystaly, které buňky doslova roztrhají.
Spuštěním tvorby ledu o něco dříve vznikají mnohem menší krystaly. Ty jsou méně agresivní a šetří jemné struktury uvnitř i vně buňky. Houbový protein se zdá být schopen přesně tento typ jemné, včasné krystalizace podpořit.
Co z toho může těžit potravinářský průmysl
Zájem projevuje i potravinářský sektor. Textura mražených výrobků úzce závisí na velikosti ledových krystalů. Stačí si představit rozdíl mezi krémovou zmrzlinou a nádobou plnou tvrdých, vodnatých šupinek.
Řízená a včasná tvorba ledu může pomoci dosáhnout:
- hladší struktury zmrzliny a sorbetu
- menšího odkapávání u rozmražené zeleniny
- šťavnatějšího masa a ryb po rozmražení
- lepší kontroly krystalizace v luxusních dezertech
Pokud budou výrobci schopni přesně řídit, kdy a jak v jejich produktech vznikají ledové krystaly, otevře se cesta ke stabilnější kvalitě v celém chladicím řetězci.
Největší překážka: dostatečná výroba za rozumnou cenu
Než začnou mraky, nemocnice a výrobci zmrzliny masově využívat houbový protein, čeká vědce nelehký technický úkol: výroba ve velkém měřítku. Protein musí být vyráběn v dostatečném množství, spolehlivě a za přijatelnou cenu.
Výzkumníci uvažují o bioreaktorech s geneticky upravenými mikroorganismy, které by protein průběžně produkovaly — podobně jako se dnes vyrábí inzulín nebo některé vakcíny. To vyžaduje optimalizaci v několika klíčových oblastech:
| Krok | Výzva |
|---|---|
| Vložení genu | stabilní produkce proteinu ve vhodném hostitelském organismu |
| Zvětšení měřítka | přechod z litrů na tisíce litrů fermentace bez ztráty kvality |
| Čištění | rychlé a levné oddělení proteinu od ostatních látek |
| Stabilita | zachování účinnosti během přepravy a skladování |
Teprve až bude tato skládačka víceméně složena, přijdou na řadu rozsáhlé praktické aplikace. Do té doby zůstává protein především slibným nástrojem pro výzkumné laboratoře.
Nové otázky kolem řízení tvorby ledu
Výzkum tohoto houbového proteinu se dotýká širších témat spojených s vodou a ledem. Led nevzniká pouze v mrazničkách — tvoří se také v oblacích, v povrchové vrstvě půdy a na plodinách. Drobné změny v tom, jak rychle a kde led vzniká, mohou ovlivnit zemědělské škody, tvorbu krupobití nebo strukturu sněhu a ledovců.
Klimatické modely již nyní zohledňují biologické částice — jako jsou pyly a bakterie — které pomáhají tvořit ledové krystaly v atmosféře. Nový typ extrémně aktivního proteinu pocházejícího z hub může znamenat, že role půdních organismů při formování oblaků je větší, než se dosud předpokládalo.
Pro odborníky v oblasti kryotechniky a biomedicínského uchovávání tento výzkum ukazuje, že vedle chemických nemrznoucích látek existují i biologické nástroje, které tvorbu ledu řídí jemnějším způsobem. Místo co nejdelšího oddalování zamrznutí lze led záměrně spustit o něco dříve — ale řízeně a pod kontrolou.
Za dveřmi laboratoří vyvstávají praktické otázky: co takový protein znamená pro zemědělce čelící nočním mrazům? Může řízená mlha s tímto proteinem lépe ochránit ovocné květy, nebo naopak způsobit větší škody tím, že led vznikne rychleji? Takové scénáře vyžadují cílené terénní experimenty, v nichž se přesně měří teplota, vlhkost vzduchu a koncentrace proteinu.
Každý, kdo s těmito technikami pracuje, musí mít na paměti i rizika. Protein urychlující tvorbu ledu rozhodně nechcete mít v proudových motorech nebo na křídlech letadel, kde záleží na každém stupni. Stejně jako u všech biotechnologických prostředků jde nakonec vždy o kontext: kde urychlené zamrzání pomáhá a kde je naopak žádoucí ho zpomalit?
