Белки из почвенного мицелия связали частицы воды и запустили кристаллизацию при слабом минусе. Эти молекулы работали в виде водного раствора без привязки к липидным оболочкам живых клеток. Грибы получили такую способность от бактерий сотни тысяч лет назад через параллельный перенос генов.
Образование льда требует преодоления высокого энергетического барьера. В чистом виде вода замерзает только при -46 °C. В природе этот процесс ускоряют биологические катализаторы. Особые мембранные протеины бактерий способны создавать кристаллы уже при -2 °C.
Человек использует подобный биохимический механизм для генерации искусственного снега или управления погодой. Засев облаков заставляет атмосферную воду кристаллизоваться, тяжелеть и выпадать дождем. Обычно для облаков применяют токсичный йодид серебра. Бактериальные молекулы для этого не подходят, поскольку работают только на поверхности живой клетки.
Способность почвенных грибов выделять льдообразующие белки ученые заметили еще в 1990-х годах. Однако только сейчас биологи полностью расшифровали генетический код этого механизма у представителей семейства Mortierellaceae. Результаты опубликовали в журнале Science Advances.
Сначала биологи полностью расшифровали геномы почвенного гриба Mortierella alpina и изолята из лишайника Peltigera britannica. Внутри этой генетической базы искали участки, отвечающие за сборку льдообразующих белков. Поиск сфокусировали на последовательностях кода, генерирующих повторяющиеся мотивы из аминокислот треонина, серина и лейцина.
Анализ найденных фрагментов грибной ДНК выявил их копирование с бактериального гена InaZ. Доля гуанина и цитозина в обнаруженном гене сильно превышала типичный состав остальной хромосомы гриба. Сравнение азотистых оснований подтвердило прямое заимствование генетического рецепта у микробов.
Выяснилось, что новый грибной ген кодирует белковые цепи длиной от 606 до 990 аминокислот. Масса молекул варьировалась от 64 до 100 килодальтон. Открытые грибные катализаторы оказались заметно меньше классических бактериальных вариантов весом 120 килодальтон.
Команда ученых перенесла фрагменты кода в кишечную палочку и пекарские дрожжи, чтобы проверить функциональность. Выращенные генетически модифицированные микроорганизмы поместили в жидкость и начали плавно опускать температуру. Половина капель с новыми дрожжами замерзла при -7 °С. Модифицированная кишечная палочка кристаллизовала влагу при около -15 °С. Чистая жидкость оставалась стабильной до -23 °С.
Нейросеть AlphaFold3 показала трехмерную форму нового белка. Молекулярная нить свернулась в спираль шириной чуть больше трех нанометров. Ее центральная часть состояла из 42 одинаковых витков. Шесть атомов серы на концах молекулы сработали как прочные химические замки. Такая жесткость позволила молекуле работать прямо в воде без мембранной опоры на живую клетку. В растворе эти спирали слипались боками друг с другом и выстраивали широкую плоскую площадку для кристаллизации льда.
Промывка мицелия водой дала чистый экстракт без фрагментов стенок или мембранных пузырьков. Изолированный раствор запустил обледенение капель при температурах от -5 до -7 °С. Белки перенесли нагрев и многократные циклы размораживания без потери каталитической активности.
Свойства открытых соединений дали науке водорастворимый инструмент для конденсации влаги. Подобный биохимический аппарат может лечь в основу создания безопасных химических реагентов для контроля климата, конвейерной заморозки пищевых продуктов или криоконсервации.
Автор: Илья Гриднев