Международная группа ученых идентифицировала в почвенных грибах семейства Mortierellaceae специфические белки, способные запускать процесс превращения воды в лед при температурах, значительно превышающих привычные показатели. Согласно результатам исследования, опубликованного в журнале Science Advances, эти биологические структуры выступают в роли высокоэффективных центров нуклеации. В ходе лабораторных тестов капли воды замерзали уже при –5,6 градуса Цельсия, в то время как наиболее активные природные нуклеаторы могут срабатывать при температуре около –2 градусов.
Физические свойства воды позволяют ей оставаться в жидком состоянии при отрицательных значениях – вплоть до –46 градусов – при условии отсутствия посторонних частиц, служащих шаблоном для построения кристаллической решетки. В естественной среде такими шаблонами чаще всего выступают частицы минеральной пыли или определенные виды бактерий. Обнаруженные грибковые белки отличаются от ранее известных бактериальных аналогов своей структурой: они не связаны с клеточной мембраной и сохраняют активность в растворенном виде. Это свойство упрощает их потенциальное промышленное применение, так как позволяет использовать очищенное вещество отдельно от живых клеток.
Генетический анализ показал, что способность управлять кристаллизацией грибы, вероятнее всего, получили от бактерий в результате горизонтального переноса генов. Этот эволюционный процесс произошел миллионы лет назад, после чего механизм был адаптирован грибными организмами. Ученые полагают, что подобные белки помогают почвенным грибам регулировать доступ к влаге или защищать свои ткани от повреждений при резких перепадах температур.
Одним из наиболее перспективных направлений использования открытия считается метеорология, в частности технологии засева облаков для стимуляции осадков. В настоящее время для этих целей широко применяется йодид серебра, начинающий действовать при –5 градусах. Биологические белки могут стать более экологичной альтернативой химическим реагентам, однако Всемирная метеорологическая организация призывает к осторожности в вопросах искусственного изменения погоды. Любое масштабное внедрение новых методов нуклеации требует предварительной оценки их влияния на экосистемы и здоровье человека.
Помимо атмосферных явлений, результаты работы могут найти применение в криобиологии и пищевой индустрии. Точный контроль над моментом образования льда позволяет избежать появления крупных кристаллов, которые разрушают клеточные мембраны биоматериалов или нарушают текстуру продуктов при заморозке. Ключевыми факторами для коммерциализации технологии станут снижение стоимости производства белков и подтверждение их безопасности в реальных условиях эксплуатации.
Исследование механизмов образования льда также имеет значение для совершенствования климатических моделей. Понимание того, какие биологические частицы участвуют в формировании облаков, позволит точнее прогнозировать, как облачный покров будет отражать солнечную радиацию в условиях меняющегося климата.
