Белки, выделяемые почвенным мицелием, способны связывать молекулы воды и инициировать кристаллизацию при незначительных отрицательных температурах. Эти белки функционируют в водной среде без необходимости присутствия липидных оболочек живых клеток. Способность к такому процессу грибы приобрели от бактерий в результате горизонтального переноса генов, произошедшего сотни тысяч лет назад.

Механизм образования льда

Для формирования льда требуется преодоление значительного энергетического барьера. В чистом виде вода замерзает только при температуре около -46 °C. В природе этот процесс ускоряется за счет биологических катализаторов. Некоторые бактериальные мембранные белки способны инициировать кристаллизацию уже при -2 °C.

Применение биокатализаторов человеком

Аналогичные биохимические механизмы используются для создания искусственного снега и управления погодными условиями. При засеве облаков атмосферная вода кристаллизуется, становится тяжелее и выпадает в виде осадков. Обычно для этого применяют токсичный йодид серебра, поскольку бактериальные молекулы эффективны только на поверхности живых клеток и не подходят для работы в облаках.

Исследование грибных белков

Способность почвенных грибов выделять внеклеточные антифризы была обнаружена еще в 1990-х годах, однако только недавно удалось полностью расшифровать генетический код этого механизма у представителей семейства Mortierellaceae. Исследователи секвенировали геномы грибов Mortierella alpina и изолята из лишайника Peltigera britannica, чтобы выявить участки, отвечающие за сборку ледообразующих белков. Особое внимание уделялось последовательностям, кодирующим повторяющиеся мотивы из аминокислот треонина, серина и лейцина.

Анализ выявил, что эти фрагменты ДНК были скопированы с бактериального гена InaZ. Содержание гуанина и цитозина в обнаруженном гене значительно превышало типичный состав грибной хромосомы, что подтвердило прямое заимствование генетического материала у бактерий.

Характеристики новых белков

Новый грибной ген кодирует белковые цепи длиной от 606 до 990 аминокислот, с молекулярной массой от 64 до 100 килодальтон. Эти катализаторы оказались заметно меньше классических бактериальных вариантов, масса которых достигает 120 килодальтон.

Для проверки функциональности фрагменты кода были перенесены в кишечную палочку и пекарские дрожжи. Генетически модифицированные микроорганизмы помещали в жидкость и постепенно понижали температуру. Половина капель с новыми дрожжами замерзала при -7 °C, а модифицированная кишечная палочка инициировала кристаллизацию влаги при -15 °C. Чистая жидкость оставалась стабильной до -23 °C.

Структура и устойчивость белков

С помощью нейросети AlphaFold3 была определена трехмерная структура нового белка. Молекулярная нить свернута в спираль шириной чуть более трех нанометров, центральная часть состоит из 42 одинаковых витков. На концах молекулы расположены шесть атомов серы, выполняющих функцию прочных химических замков. Такая жесткость позволяет белку работать непосредственно в воде без мембранной опоры. В растворе спирали соединяются боковыми поверхностями, формируя широкую плоскую площадку для кристаллизации льда.

Экстракция белков из мицелия водой позволила получить чистый раствор без фрагментов клеточных стенок или мембранных пузырьков. Такой раствор инициировал обледенение капель при температурах от -5 до -7 °C. Белки сохраняли каталитическую активность после нагрева и многократных циклов замораживания и оттаивания.

Перспективы применения

Открытые соединения предоставляют науке водорастворимый инструмент для конденсации влаги. Подобный биохимический аппарат может быть использован для создания безопасных химических реагентов для климатического контроля, промышленной заморозки пищевых продуктов и криоконсервации.