I funghi usano il "pulsante di avvio" per ottenere il ghiaccio dai batteri
Le proteine appena identificate potrebbero essere importanti per la crioconservazione, la lavorazione degli alimenti e la produzione di neve
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Un team di ricerca internazionale guidato da Konrad Meister dell'Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri, parte del dipartimento di Mischa Bonn, ha identificato una nuova classe di proteine che formano cristalli di ghiaccio nei funghi inferiori. Lo studio dimostra che i funghi della famiglia delle Mortierellaceae utilizzano un progetto genetico che deriva dai batteri. A differenza dei batteri, però, i funghi utilizzano il gene per formare proteine idrosolubili. Questo adattamento strutturale spiega l'elevata stabilità ed efficienza della formazione di ghiaccio da parte dei funghi. Secondo i ricercatori, le proteine fungine sono promettenti per le applicazioni nel campo della tecnologia del congelamento.
L'acqua congela a 0 °C, almeno secondo i libri di testo. Ma in condizioni ideali, l'acqua pura rimane liquida fino alla temperatura di -40 °C. Basta un piccolo urto o una particella di polvere per far sì che il liquido si trasformi bruscamente e improvvisamente in ghiaccio. Anche alcuni tipi di batteri sono buoni formatori di ghiaccio perché producono proteine speciali che favoriscono il congelamento a temperature intorno a 0 °C. Ad esempio, le proteine del batterio Pseudomonas syringae fanno congelare l'acqua meglio di qualsiasi altro materiale conosciuto. Tali proteine di nucleazione del ghiaccio si trovano non solo nei batteri, ma anche in alcuni funghi. Mentre la struttura delle proteine batteriche è stata ben studiata, quella dei funghi è rimasta finora poco chiara.
Il team internazionale guidato da Konrad Meister dell'Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri descrive per la prima volta una nuova classe di proteine di nucleazione del ghiaccio della famiglia dei funghi Mortierellaceae. Questa famiglia appartiene ai funghi inferiori, che comprendono anche i lieviti. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con ricercatori del Max Planck Institute for Chemistry e colleghi statunitensi, tra cui Boris Vinatzer del Virginia Tech.
Per scoprire la struttura delle proteine fungine, i ricercatori hanno sequenziato i genomi di funghi attivi nel ghiaccio isolati da campioni di acqua e licheni raccolti durante precedenti spedizioni polari. In questo modo hanno scoperto geni strettamente correlati a un gene già noto di batteri attivi nel ghiaccio come la Pseudomonas syringae: Il gene InaZ è il modello per la produzione di proteine di nucleazione del ghiaccio.
Trasferimento genico tra le specie
Tuttavia, durante l'analisi strutturale, i ricercatori hanno scoperto differenze significative. A differenza delle proteine batteriche, che per funzionare devono essere inserite in una membrana, le proteine fungine sono solubili in acqua e insolitamente stabili.
Sulla base di analisi filogenetiche - ovvero analisi dell'origine di un gene - il team ha concluso che il gene InaZ è stato probabilmente trasferito dai batteri a un antenato fungino attraverso le specie in un lontano passato. Invece di sviluppare la nucleazione del ghiaccio in modo indipendente, i funghi hanno adottato una caratteristica molto efficace dei batteri e l'hanno adattata alle loro esigenze fisiologiche.
"È un po' uguale eppure diverso", dice Rosemary Eufemio, ricercatrice della Boise State University negli Stati Uniti. "I funghi utilizzano la stessa architettura di sequenze ripetitive dei batteri per i loro siti di formazione del ghiaccio, ma li hanno resi più solubili e stabili, a vantaggio probabilmente della loro funzione ecologica".
Per dimostrare che i geni fungini identificati sono effettivamente il modello per le proteine nucleanti il ghiaccio, il team di ricerca ha trasferito due dei geni identificati in lieviti e batteri non attivi. I microrganismi modificati sono poi diventati attivi per il ghiaccio, confermando la connessione funzionale.
Possibili applicazioni nella crioconservazione
Oltre all'importanza biologica della scoperta, Konrad Meister dell'MPI per la ricerca sui polimeri vede anche applicazioni pratiche concrete nelle tecnologie basate sul congelamento controllato. "Le proteine solubili che nucleano il ghiaccio sono più facili da isolare, manipolare e integrare nelle formulazioni e nei processi tecnologici rispetto a quelle legate alle membrane. Questo apre nuove possibilità per il congelamento controllato nella crioconservazione di cellule e organi, nella lavorazione degli alimenti e nella produzione di neve".
Nucleazione del ghiaccio: Proprietà e significato
La capacità di nucleare il ghiaccio, cioè di formare nuclei di ghiaccio in modo mirato, è di grande importanza evolutiva per alcuni microrganismi. Dà loro vantaggi di sopravvivenza, soprattutto nell'atmosfera. Quando il ghiaccio si forma nelle nuvole, le goccioline ghiacciate cadono sulla terra come precipitazioni. "Questo permette a batteri e spore fungine di essere trasportati su lunghe distanze e di raggiungere nuovi habitat come le superfici delle piante, il suolo o altre regioni geografiche", spiega la biologa e ricercatrice del sistema Terra Janine Fröhlich dell'Istituto Max Planck per la Chimica.
Un esempio ben noto è la Pseudomonas syringae, che si trova comunemente sulle foglie delle piante. Innescando la formazione di ghiaccio sulle cellule delle foglie, provoca danni da gelo. Ciò provoca la fuoriuscita della linfa vegetale, che serve come fonte di nutrimento per i batteri: in altre parole, essi danneggiano deliberatamente la pianta per nutrirsi.
Inoltre, i batteri nucleatori di ghiaccio hanno un'importanza climatica: sono tra gli inneschi naturali più efficaci della formazione di ghiaccio nelle nuvole e possono quindi influenzare le precipitazioni, gli eventi meteorologici e il ciclo globale dell'acqua.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Rosemary J. Eufemio, Mariah Rojas, Kaden Shaw, Ingrid de Almeida Ribeiro, Hao-Bo Guo, Galit Renzer, Kassaye Belay, Haijie Liu, Parkesh Suseendran, Xiaofeng Wang, Janine Fröhlich-Nowoisky, Ulrich Pöschl, Mischa Bonn, Rajiv J. Berry, Valeria Molinero, Boris A. Vinatzer, Konrad Meister; "A previously unrecognized class of fungal ice-nucleating proteins with bacterial ancestry"; Science Advances, Volume 12
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