Учёные нашли в грибах белки способные мгновенно замораживать воду
Группа ученых из Политехнического института и Университета штата Вирджиния, а также Университета штата Бойсе совершила важное открытие, идентифицировав белки, вырабатываемые некоторыми видами грибов, которые обладают уникальной способностью практически мгновенно инициировать процесс замерзания воды. Этот процесс, известный как нуклеация льда, имеет огромное значение как в природе, так и для множества технологий. Замерзание воды является одним из самых распространенных фазовых переходов на планете, влияя на экологические взаимодействия, погодные явления и климат. Хотя вода замерзает при температуре ниже нуля, скорость образования кристаллов льда критически зависит от наличия так называемых ядер нуклеации — мельчайших частиц, вокруг которых начинает расти лед.
В природе существуют как неорганические, так и биологические агенты нуклеации. Наиболее эффективными из них считаются белки, вырабатываемые некоторыми бактериями и грибами, которые способны вызывать замерзание воды уже при температуре до -2 °C. Для сравнения, традиционно используемый для вызывания искусственных осадков йодид серебра работает только при температурах около -5 °C и, кроме того, его применение ограничено из-за токсичности. Однако, несмотря на широкое распространение биологических нуклеаторов, до сих пор детально были изучены только белки бактериального происхождения.
В новом исследовании, в журнале Science Advances, ученые сфокусировались на грибах семейства Mortierellaceae, которые широко распространены в почве. Им удалось выделить и охарактеризовать грибные белки, отвечающие за эффективную нуклеацию льда. Ключевой особенностью этих молекул является то, что они не являются мембранно-связанными, то есть не встроены в клеточную стенку гриба, что делает их потенциально гораздо более простыми в выделении и очистке по сравнению с их бактериальными аналогами. Более того, генетический анализ показал, что ген, кодирующий этот белок, был приобретен предками современных грибов у бактерий сотни тысяч или даже миллионы лет назад в ходе процесса, называемого горизонтальным переносом генов. По словам одного из авторов исследования, профессора Бориса Винатцера, это стало неожиданностью, так как горизонтальный перенос генов от бактерий к грибам — явление довольно редкое. Со временем этот ген и сам белок претерпели изменения, которые, по-видимому, повысили его эффективность.
Исследователи полагают, что открытые грибные белки обладают целым рядом преимуществ перед бактериальными для практического использования. Их небольшие размеры и водорастворимость открывают широкие перспективы в самых разных областях. Например, в пищевой промышленности они могли бы стать безопасной и эффективной добавкой для производства замороженных продуктов. Поскольку белок может использоваться в очищенном виде, без целых грибных клеток, это позволяет создать контролируемую и четко определенную систему, способствующую быстрому и равномерному замораживанию.
Еще одно многообещающее направление — криоконсервация биологических материалов, таких как сперматозоиды, яйцеклетки и эмбрионы. Способность грибного белка быстро замораживать воду вне клеток может защитить хрупкие клеточные мембраны от повреждений кристаллами льда. «Мы не смогли бы сделать это с помощью бактерий, потому что нам пришлось бы добавлять целые бактериальные клетки», — пояснил профессор Винатцер. Наконец, полученные данные могут быть использованы для улучшения климатических моделей, поскольку роль биологических нуклеаторов в формировании облаков и осадков до сих пор недооценивалась. В долгосрочной перспективе, если удастся наладить экономически эффективное производство этих грибных белков, они могут стать экологичной альтернативой токсичным химикатам для засева облаков с целью вызывания дождей.