Группа исследователей из Политехнического института Вирджинии, Университета штата Вирджиния и Университета штата Бойсе осуществила значимое научное достижение. В ходе исследования были идентифицированы белковые структуры, синтезируемые определёнными видами грибов, которые способствуют практически мгновенной кристаллизации воды. Этот процесс, известный как нуклеация льда, играет важную роль в природных экосистемах и технологических приложениях.
Замерзание воды является одним из наиболее распространённых фазовых переходов на поверхности Земли, оказывая значительное влияние на экологические процессы, погодные явления и климатические условия. Процесс кристаллизации льда начинается при температуре ниже нуля градусов Цельсия и зависит от наличия центров нуклеации, представляющих собой микроскопические частицы, вокруг которых формируются ледяные кристаллы. В природе существуют как неорганические, так и биологические агенты, способствующие нуклеации. Белковые комплексы, продуцируемые некоторыми бактериями и грибами, демонстрируют высокую эффективность при температурах до -2 °C.
Традиционно для искусственного инициирования осадков используется йодид серебра, однако его применение ограничено температурами около -5 °C, а также сопряжено с токсичностью.
Хотя биологические нуклеаторы широко распространены в природе, их изучение в основном фокусировалось на бактериальных белках. В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, учёные сосредоточились на грибах семейства Mortierellaceae, обитающих в почвах. В результате были выделены и охарактеризованы специфические белковые комплексы, способствующие эффективной нуклеации льда. Эти белки не ассоциированы с клеточными мембранами грибов, что облегчает их изоляцию и очистку. Генетические анализы показали, что ген, кодирующий данные белки, был передан предкам современных грибов от бактерий посредством горизонтального переноса генов — редкого эволюционного механизма, произошедшего сотни тысяч или миллионы лет назад. Со временем этот ген и соответствующий белок претерпели адаптационные изменения, повысив свою функциональность.
Исследователи предполагают, что грибные белки обладают преимуществами по сравнению с бактериальными для практического применения. Их малые размеры и водорастворимость открывают перспективы использования в пищевой промышленности. Грибные белки могут служить безопасной добавкой для производства замороженных продуктов, обеспечивая быстрое и равномерное их замораживание.
Другим возможным направлением применения является криоконсервация биологических материалов, таких как сперматозоиды, ооциты и эмбрионы. Грибные белки позволяют осуществить быстрое замораживание воды вне клеток, минимизируя повреждения клеточных мембран. «Использование бактерий для этой цели было бы более сложным, поскольку требовало бы добавления целых клеток», — отметил профессор Борис Винатцер.
Результаты данного исследования могут способствовать улучшению климатических моделей, поскольку роль биологических нуклеаторов в формировании облаков и осадков ранее недооценивалась. В перспективе, при разработке экономически эффективных методов производства грибных белков, они могут стать экологически безопасной альтернативой токсичным химическим веществам, используемым для искусственного вызова осадков.