Почвенный мицелий, благодаря содержащимся в нём белкам, способствовал связыванию молекул воды и образованию кристаллов даже при небольшом понижении температуры. Эти молекулы функционировали в виде водного раствора, не взаимодействуя с липидными мембранами живых клеток. Способность к этому была приобретена грибами от бактерий в течение сотен тысяч лет посредством горизонтального переноса генов.
Для формирования льда необходимо преодолеть значительный энергетический порог. Вода в чистом состоянии замерзает лишь при температуре -46 °C. В естественных условиях этот процесс часто ускоряется благодаря биологическим катализаторам. Специализированные мембранные белки, присутствующие у бактерий, могут вызывать образование кристаллов льда даже при -2 °C.
Подобный биохимический механизм может быть задействован для создания искусственного снега или воздействия на погодные условия. Засев облаков вызывает кристаллизацию влаги в атмосфере, увеличивает её массу и способствует выпадению осадков в виде дождя. Как правило, для этой цели используют токсичный йодид серебра. Бактериальные молекулы не пригодны для этой задачи, так как проявляют активность исключительно на поверхности живых клеток.
Еще в 1990-х годах исследователи обратили внимание на то, что почвенные грибы способны вырабатывать белки, вызывающие образование льда. Тем не менее, лишь в настоящее время удалось полностью установить генетическую основу этого процесса у грибов, относящихся к определенному семейству Mortierellaceae. Результаты опубликовали в журнале Science Advances.
Первоначально биологи провели полное секвенирование геномов почвенного гриба Mortierella alpina и изолята из лишайника Peltigera britannica. В генетической базе данных проводился поиск участков, определяющих формирование белков, способствующих образованию льда. Исследование было сосредоточено на последовательностях, кодирующих повторяющиеся структуры, состоящие из аминокислот треонина, серина и лейцина.
Исследования фрагментов грибной ДНК показали, что они были скопированы с бактериального гена InaZ. Содержание гуанина и цитозина в выделенном гене значительно превышало обычный состав хромосом гриба. Сопоставление азотистых оснований подтвердило, что генетическая информация была непосредственно заимствована у бактерий.
Анализ показал, что новый грибной ген определяет синтез белковых цепей, длина которых составляет от 606 до 990 аминокислот. Молекулярная масса этих белков изменялась в диапазоне от 64 до 100 килодальтон. Обнаруженные грибные катализаторы существенно меньше, чем известные бактериальные аналоги, которые имеют массу 120 килодальтон.
Специалисты внедрили фрагменты программного кода в кишечную палочку и пекарские дрожжи для оценки их работоспособности. Полученные генетически модифицированные микроорганизмы были помещены в питательную среду, после чего температура начала постепенно снижаться. Половина образцов с измененными дрожжами замерзала при -7 °С. Модифицированная кишечная палочка вызывала кристаллизацию воды при температуре примерно -15 °С. Неизмененная среда сохраняла стабильность до -23 °С.
Нейросеть AlphaFold3 смогла воссоздать трехмерную структуру нового белка. Молекула сформировала спираль, диаметр которой составил немногим более трех нанометров. В ее центре находились 42 идентичных витка. Шесть атомов серы, расположенных на концах молекулы, выступили в роли надежных химических соединений. Благодаря такой прочности молекула функционирует непосредственно в водной среде, не нуждаясь в поддержке мембран и живой клетки. В растворе эти спирали соединялись боковыми поверхностями, образуя широкую, плоскую структуру, подходящую для кристаллизации льда.
Промывка мицелия водой позволила получить чистый экстракт, свободный от фрагментов клеточных стенок и мембранных структур. Полученный раствор вызывал замерзание капель при температурах в диапазоне от -5 до -7 °C. Белки сохранили свою каталитическую активность после нагревания и нескольких циклов замораживания-размораживания.
Благодаря своим характеристикам, открытые соединения предоставили науке водорастворимый инструмент для конденсации влаги. Этот биохимический механизм может послужить основой для разработки безопасных химических веществ, предназначенных для регулирования климата, быстрой заморозки продуктов питания или криоконсервации.