Nenápadný organismus žijící v běžné zahradní půdě dokáže ovládat zmrazování vody způsobem, který by mohl změnit meteorologii, medicínu i potravinářství.
Vědci z Virginia Tech identifikovali bílkovinu, která způsobuje, že čistá voda zamrzne téměř okamžitě už při jemném mrazu. Pokud se podaří vyrábět ji levně, využije ji meteorologie, medicína, zemědělství i potravinářský průmysl.
Tým vedený Borisem Vinatzerem a Xiaofengem Wangem se zaměřil na houby z čeledi Mortierellaceae. Patří mezi nejběžnější organismy v půdě – najdeš je v lesích, na polích i ve vlastní zahradě. V jejich genomu našli vědci gen kódující výjimečnou bílkovinu, která funguje jako spouštěč zmrazování vody.
V běžných podmínkách může čistá voda bez nečistot zůstat tekutá i pod nulou stupňů Celsia. Fyziky už dlouho fascinuje jev takzvaného přechlazení, kdy teplota klesá, ale krystalky ledu se ještě nevytvoří, protože jim chybí „lešení“ pro strukturu. Přesně to poskytuje bílkovina z houby: vytváří povrch, na kterém se molekuly vody uspořádají, až vznikne led už při teplotě kolem minus dva stupně Celsia.
Houbová bílkovina funguje jako šablona pro ledové krystaly
Vědci popisují, že bílkovina se chová jako předloha pro krystaly ledu. Jakmile se v jejím okolí nachází přechlazená voda, proces přechodu do pevného skupenství probíhá překvapivě rychle. Molekuly se uspořádají podle struktury bílkoviny a led vznikne prakticky okamžitě.
Dosud se podobná schopnost spojovala především s bakteriemi, zejména s druhem Pseudomonas syringae. Využívají se mimo jiné při výzkumu umělého vyvolávání srážek. Bakteriální bílkoviny mají však podstatné omezení: aby fungovaly, musí obvykle zůstat spojené s živou, nepoškozenou buňkou.
Bílkovina pocházející z houby se chová jinak. Je rozpustná ve vodě a účinně funguje odděleně od buňky, která ji vytvořila. Můžeš ji tedy:
- izolovat a skladovat v roztoku
- přidávat do vody či jiných tekutin jako klasickou ingredienci
- testovat v různých podmínkách bez obav o přežití organismu
- využívat v průmyslovém měřítku bez nutnosti pěstovat živé kultury
- kombinovat s dalšími látkami pro specifické aplikace
- transportovat bez speciálních biologických nároků
Tato svoboda v použití znamená, že biologové a inženýři v ní vidí daleko větší praktický potenciál než v bakteriálních alternativách. Rozpustnost ve vodě otevírá možnosti, které byly dříve nedosažitelné.
Jak se houba dostala k genu původně patřícímu bakteriím
Analýza DNA houby z čeledi Mortierellaceae ukázala, že gen kódující bílkovinu zahajující zmrazování není součástí jejího původního vybavení. Vše nasvědčuje tomu, že byl převzat od bakterií metodou takzvaného horizontálního přenosu genů.
V takovém procesu fragment genetického materiálu přeskočí mezi evolučně vzdálenými organismy, bez klasického dědění z rodiče na potomka. Je to jako náhlé nahrání cizího programu do odlišně navrženého počítače. Vědci odhadují, že tato „genetická půjčka“ se mohla stát před stovkami tisíc, možná dokonce miliony let, a pak ji houby začaly zdokonalovat podle vlastních pravidel.
Pokud gen přetrval tak dlouho, nejspíš poskytuje houbě konkrétní výhody. Možná jí pomáhá přežít v oblastech, kde půda často promrzá, ovlivňuje kontakt s vodou v mikroskopických prostorech mezi částicemi země nebo mění vztahy s jinými mikroorganismy v ekosystému. Vědci z Virginia Tech pokračují ve studiu evolučních mechanismů, které umožnily tuto adaptaci.
Kde všude můžeme využít tuto schopnost ovládat led
Jedním z hlavních směrů, o kterých mluví autoři výzkumu, je takzvané očkování mraků, tedy technika používaná k vyvolávání deště nebo sněhu. Dnes se k tomu používá mimo jiné jodid stříbrný – účinná látka, která ale není lhostejná k životnímu prostředí a vyvolává spory.
Houbová bílkovina, jako biologická molekula rozložitelná v přírodě, by mohla jednoho dne nahradit takové chemikálie. Teoreticky by stačilo rozprašovat roztok obsahující bílkovinu do mraků, aby se usnadnilo vytváření krystalků ledu a následně srážek. Pro regiony potýkající se se suchem by to byl zajímavý směr, ačkoli vyvstává také otázka etiky „řízení počasí“ a možných vedlejších důsledků pro sousední oblasti.
Druhá oblast, kde může bílkovina hodně změnit, je kryoprezervace – uchovávání buněk, embryí, tkání či semen při nízkých teplotách. Hlavní problém v těchto procesech spočívá v tom, že pokud voda kolem buněk zamrzne příliš pozdě, vytvoří se velké, ostré krystaly ledu, které doslova roztrhají biologické struktury.
Proč je velikost krystalů ledu tak důležitá pro buňky i potraviny
Pokud se zahájení zmrazování spustí o něco dříve, krystaly jsou menší a homogennější, takže nepoškozují buňky tak agresivně. Bílkovina z houby může fungovat právě tímto způsobem: „navrhnout“ ledu okamžik startu, aby celý proces probíhal klidněji a předvídatelněji.
To je cenná perspektiva pro banky buněk, kliniky léčby neplodnosti a centra uchovávající genetický materiál ohrožených druhů. Výzkumníci z univerzit v Connecticutu a Kalifornii už testují podobné přístupy na tkáních.
Velikost krystalků ledu je klíčová i v potravinách. Každý, kdo jedl zmrzlinu plnou tvrdých hrudek ledu nebo maso se zničenou strukturou po rozmrazení, zná tento problém z vlastní kuchyně. V potravinářském průmyslu se už roky používají různé metody rychlého mrazení, aby se omezil růst krystalů.
Přidání bílkoviny zahajující zmrazování by mohlo ještě přesněji kontrolovat tento proces. Výsledkem by byly například:
- zmrzlina s hladší, krémovější konzistencí
- mražené ovoce, které se po rozmrazení méně rozpadá
- ryby a maso s přirozenější strukturou po zpracování
- mražená zelenina zachovávající vitaminy a texturu
- hotová jídla s lepšími senzorickými vlastnostmi
- produkty s delší trvanlivostí bez ztráty kvality
- nižší energetická náročnost mrazicích procesů
Největší výzva: jak vyrábět bílkovinu v obrovském množství
Ačkoli výsledky výzkumu vypadají slibně na laboratorní úrovni, cesta k reálným aplikacím je dlouhá. Bílkovinu je třeba produkovat v obrovských množstvích a za nákladů akceptovatelných pro zemědělství, potravinářský průmysl či medicínu.
Teoreticky to lze udělat několika způsoby. První možností je geneticky upravit bakterie nebo kvasinky, aby produkovaly houbovou bílkovinu ve fermentorech, podobně jako se dnes vyrábí inzulin. Druhou cestou je přímé pěstování hub z čeledi Mortierellaceae v bioreaktorech a extrakce bílkoviny z jejich biomasy. Třetí variantou je chemická syntéza, pokud se podaří přesně zmapovat strukturu molekuly.
K tomu přistupují regulační otázky: použití v mracích, v medicíně či v potravinách vyžaduje různé, často velmi přísné bezpečnostní zkoušky. Samotná skutečnost, že bílkovina je přírodního původu, nezaručuje automaticky plnou akceptaci dozorčích institucí. Evropská agentura pro bezpečnost potravin nebo americká FDA budou vyžadovat rozsáhlá data.
Vědci z Virginia Tech spolupracují s biotechnologickými firmami na optimalizaci výrobních procesů. Cílem je snížit náklady na úroveň, která umožní komerční využití do pěti až deseti let.
Co nám houbová bílkovina říká o životě a fyzikálních procesech
Příběh této bílkoviny zajímavě propojuje fyziku a biologii. Zmrazování často představujeme jako čistě fyzikální proces závislý na teplotě a tlaku. Tady vidíš, že živé organismy dokážou do tohoto procesu zasahovat velmi konkrétními, specializovanými molekulami.
Pro biology je to signál, že další, zdánlivě „čistě fyzikální“ jevy v prostředí mohou mít své protějšky kontrolované mikroorganismy. Možná v půdě, v atmosféře nebo v oceánech fungují celé sady bílkovin, které pomáhají organismům přizpůsobovat se extrémním teplotám, suchu nebo proměnlivé vlhkosti. Badatelé z Max Planckova institutu už našli podobné mechanismy u mořských řas.
Z praktického hlediska stojí za vysvětlení samotný jev přechlazení, protože mnoho lidí se s ním setkává doma. Občas nápoj v láhvi ležící v mrazáku vypadá jako tekutina, ale po lehkém zaklepání se náhle začne měnit v led – to je právě příklad spontánního přechodu přechlazené vody do pevného skupenství, když narazí na vhodný podnět.
Bílkovina popsaná týmem z Virginia Tech v jistém smyslu plní roli takového podnětu, jen nesmírně přesného a předvídatelného. Věda se teď snaží přeměnit tento přírodní trik v nástroj, který se dá použít v mracích, zkumavkách a průmyslových mrazárnech, aniž by se po cestě ztratil ekologický a etický rozum. Možná brzy uvidíš tuto technologii v praxi.
