Il fungo del giardino che congela l’acqua quasi all’istante
Una specie di fungo discreta, presente in qualsiasi terreno da giardino, controlla la formazione del ghiaccio in un modo che potrebbe rivoluzionare industrie intere e persino la meteorologia. Gli scienziati hanno scoperto che produce una proteina capace di congelare acqua pura in modo praticamente immediato.
I ricercatori della Virginia Tech hanno identificato questa proteina straordinaria, in grado di far gelare acqua pulita già a pochi gradi sotto zero. Se si riuscisse a produrla su larga scala a costi contenuti, i benefici si estenderebbero alla meteorologia, alla medicina, all’agricoltura e all’industria alimentare.
I funghi della famiglia Mortierellaceae figurano tra gli organismi del suolo più diffusi al mondo: li trovi nei boschi, nei campi coltivati e nel tuo giardino di casa. Nel loro genoma i ricercatori hanno individuato un gene che codifica una proteina eccezionale, capace di innescare il congelamento dell’acqua. Questa capacità potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui gestiamo la refrigerazione industriale, la conservazione del materiale biologico e persino la manipolazione del tempo atmosferico.
La proteina fungina che trasforma l’acqua in ghiaccio a meno due gradi
Il gruppo guidato da Boris Vinatzer e Xiaofeng Wang si è concentrato proprio sui funghi della famiglia Mortierellaceae. Questi organismi sono presenti quasi ovunque: nel terreno del giardino, ai margini dei boschi e in piena campagna agricola. Il loro genoma contiene un gene che produce una proteina in grado di avviare il processo di congelamento.
In condizioni normali, l’acqua pura priva di impurità può rimanere liquida anche al di sotto del punto di congelamento. I fisici sono da tempo affascinati da un fenomeno chiamato sottoraffreddamento: la temperatura scende, ma i cristalli di ghiaccio non si formano ancora perché manca una superficie su cui organizzarsi. È esattamente questo ciò che fornisce la proteina fungina: crea una sorta di impalcatura su cui le molecole d’acqua si dispongono in una struttura ordinata, producendo ghiaccio già intorno ai meno due gradi Celsius.
I ricercatori descrivono questa proteina come un modello per i cristalli di ghiaccio. Non appena si trova in prossimità di acqua sottoraff redata, la transizione allo stato solido avviene con sorprendente rapidità. A differenza di altri meccanismi noti, questo sistema risulta straordinariamente efficiente e prevedibile.
Perché la versione fungina è superiore a quella batterica
Fino ad ora, capacità simili erano associate soprattutto ai batteri, in particolare alla specie Pseudomonas syringae, utilizzata tra l’altro nelle ricerche sulla pioggia artificiale. Tuttavia, le proteine batteriche presentano un limite importante: per funzionare devono generalmente rimanere legate a una cellula viva e intatta.
Le proteine di origine fungina si comportano in modo del tutto diverso. Sono solubili in acqua e funzionano efficacemente anche separate dalla cellula che le ha prodotte. Questo significa che è possibile:
- isolarle e conservarle in soluzione
- aggiungerle all’acqua o ad altri liquidi come un comune additivo
- testarle nelle condizioni più diverse senza preoccuparsi della sopravvivenza dell’organismo
- impiegarle su scala industriale con una preparazione minima
- combinarle con altre sostanze secondo le necessità
Questa libertà applicativa offre a biologi e ingegneri possibilità pratiche molto più ampie rispetto alle varianti batteriche. La solubilità nei liquidi consente di dosare e miscelare facilmente la proteina con altri componenti, aprendo la strada a innovazioni in settori molto diversi tra loro.
Un gene preso in prestito dai batteri milioni di anni fa
L’analisi del DNA dei funghi Mortierellaceae ha rivelato che il gene responsabile della proteina che innesca il congelamento non fa parte del patrimonio genetico originario di questi organismi. Tutto indica che sia stato acquisito dai batteri attraverso il cosiddetto trasferimento genico orizzontale.
In questo processo, un frammento di materiale genetico salta tra organismi evolutivamente lontani, senza la classica trasmissione da genitore a figlio. È come caricare improvvisamente un programma estraneo su un computer progettato con un’architettura completamente diversa. I ricercatori stimano che questo prestito genetico possa essere avvenuto centinaia di migliaia, forse milioni di anni fa, e che i funghi lo abbiano poi perfezionato seguendo le proprie regole evolutive.
Se il gene è sopravvissuto così a lungo, è probabile che offra al fungo vantaggi concreti. Forse lo aiuta a sopravvivere in ambienti dove il terreno gela frequentemente, influenza il contatto con l’acqua negli spazi microscopici tra le particelle di argilla, oppure modifica i rapporti con altri microrganismi dell’ecosistema. I ricercatori della Virginia Tech stanno ora studiando i meccanismi precisi attraverso cui questa proteina agisce a livello molecolare.
Dalle nuvole alle biobanche: dove si può usare questa proteina
Una delle principali applicazioni di cui parlano gli autori dello studio è la cosiddetta semina delle nuvole, una tecnica impiegata per provocare pioggia o neve. Attualmente si utilizza tra l’altro lo ioduro d’argento, una sostanza efficace ma non del tutto innocua per l’ambiente, e spesso fonte di accese controversie.
Una proteina fungina, in quanto molecola biologica biodegradabile, potrebbe un giorno sostituire queste sostanze chimiche. In teoria, basterebbe nebulizzare una soluzione contenente la proteina nelle nuvole per favorire la formazione di microcristalli di ghiaccio e, di conseguenza, le precipitazioni. Per le regioni colpite dalla siccità sarebbe una prospettiva interessante, anche se restano aperte le questioni etiche legate al controllo del tempo atmosferico e ai possibili effetti collaterali sulle aree vicine.
Un secondo ambito in cui questa proteina potrebbe fare la differenza è la criopreservazione, ovvero la conservazione di cellule, embrioni, tessuti e semi a basse temperature. Il problema principale di questi processi è che se l’acqua intorno alle cellule congela troppo tardi, si formano grandi cristalli di ghiaccio appuntiti che lacerano letteralmente le strutture biologiche.
Se il congelamento viene avviato un po’ prima, i cristalli risultano più piccoli e uniformi, causando danni molto minori alle cellule. La proteina fungina potrebbe agire esattamente in questo modo: definire il momento preciso in cui il ghiaccio inizia a formarsi, così che l’intero processo avvenga in maniera più controllata e prevedibile. Si tratta di una prospettiva preziosa per le banche cellulari, le cliniche per la fertilità e i centri di conservazione del patrimonio genetico delle specie a rischio.
Verdure e carne surgelate di qualità migliore grazie al controllo del ghiaccio
Le dimensioni dei cristalli di ghiaccio sono determinanti anche nei prodotti alimentari. Chiunque abbia mangiato un gelato pieno di grumi duri oppure carne dalla struttura compromessa dopo lo scongelamento conosce bene questo problema. Nel settore alimentare si utilizzano da anni vari metodi di surgelazione rapida per limitare la crescita dei cristalli.
Aggiungere una proteina che innesca il congelamento potrebbe rendere questo processo ancora più preciso. I risultati potrebbero includere:
- gelati dalla consistenza più cremosa e vellutata
- frutta surgelata che si sfalda meno dopo lo scongelamento
- pesce e carne con una struttura più naturale dopo la lavorazione
- verdure che conservano colore e sapore anche dopo mesi in freezer
- piatti pronti con una migliore consistenza dopo il riscaldamento
- riduzione degli sprechi alimentari grazie a una surgelazione di qualità superiore
Per i produttori di alimenti surgelati significherebbe poter offrire prodotti di qualità più elevata senza dover investire in costosi impianti di surgelazione. I consumatori otterrebbero cibi che, una volta scongelati, hanno l’aspetto e il sapore del fresco.
Come produrre questa proteina su scala industriale
Nonostante i risultati della ricerca appaiano promettenti a livello di laboratorio, la strada verso applicazioni reali è ancora lunga. La proteina deve essere prodotta in quantità enormi e a costi accessibili per l’agricoltura, l’industria alimentare o la medicina. La produzione industriale rimane l’ostacolo principale.
In teoria esistono diverse strade percorribili. I ricercatori possono inserire il gene nei lieviti o nel batterio Escherichia coli, che produrrebbero poi la proteina in fermentatori. Un’altra possibilità è coltivare i funghi Mortierellaceae in bioreattori speciali e isolare la proteina direttamente da essi. Alcuni gruppi stanno esplorando anche la produzione sintetica mediante metodi chimici.
A tutto ciò si aggiungono le questioni regolamentari: l’utilizzo nelle nuvole, in medicina o negli alimenti richiede test di sicurezza differenti, spesso molto severi. Il semplice fatto che la proteina provenga da una fonte naturale non garantisce automaticamente l’approvazione delle autorità di controllo. I ricercatori della Virginia Tech collaborano con gli enti competenti per accelerare il più possibile il processo di autorizzazione.
Cosa ci insegna questa scoperta sul ghiaccio e sulla vita nel suolo
La storia della proteina fungina intreccia in modo affascinante fisica e biologia. Il congelamento viene spesso presentato come un processo puramente fisico, dipendente da temperatura e pressione. Questa scoperta dimostra invece che gli organismi viventi sono in grado di intervenire in questo processo attraverso molecole altamente specializzate e mirate.
Per i biologi è un segnale che altri fenomeni apparentemente solo fisici nell’ambiente potrebbero avere i propri equivalenti controllati da microrganismi. Forse nel suolo, nell’atmosfera o negli oceani esistono intere famiglie di proteine che aiutano gli organismi ad adattarsi a temperature estreme, alla siccità o alle variazioni di umidità. Ricercatori di università di tutto il mondo stanno già iniziando a studiare sistemi simili in altri funghi e batteri.
Dal punto di vista pratico, vale la pena spiegare il fenomeno del sottoraffreddamento, perché molte persone lo incontrano in casa propria. A volte una bottiglia dimenticata nel freezer sembra contenere ancora un liquido, ma dopo un leggero colpetto si trasforma improvvisamente in ghiaccio: è proprio questo un esempio di transizione spontanea dell’acqua sottoraff redata allo stato solido, innescata da uno stimolo esterno.
La proteina descritta dal team della Virginia Tech svolge in un certo senso il ruolo di quello stimolo, ma in modo straordinariamente preciso e prevedibile. La scienza cerca ora di trasformare questo trucco della natura in uno strumento utilizzabile nelle nuvole, nelle provette e nei surgelatori industriali, senza perdere di vista la responsabilità ecologica ed etica. Forse presto potrai incontrare questa proteina nei prodotti che usi ogni giorno.
