Ein internationales Forschungsteam, geleitet von Konrad Meister vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung, hat eine faszinierende Entdeckung im Bereich der Eisbildung gemacht. Die Wissenschaftler identifizierten eine neuartige Klasse von Proteinen in bestimmten Pilzen, die zur Eisnukleation fähig sind. Diese Proteine stammen ursprünglich von Bakterien und zeigen, wie Pilze genetische Informationen von Mikroorganismen übernommen und für ihre eigenen biologischen Prozesse angepasst haben.
Die Forschung konzentrierte sich auf Pilze der Familie Mortierellaceae, die zu den niederen Pilzen gehören und auch Hefen umfassen. Während bereits bekannt war, dass einige Bakterien wie Pseudomonas syringae über spezielle Proteine verfügen, die das Gefrieren von Wasser bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt fördern, war die Struktur ähnlicher Proteine in Pilzen bislang nicht ausreichend erforscht. Dies änderte sich mit der Zusammenarbeit von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Chemie und US-amerikanischen Kollegen, insbesondere Boris Vinatzer von der Virginia Tech.
Um die Struktur der Eisnukleationsproteine der Pilze zu entschlüsseln, sequenzierten die Forscher das Genom von eisaktiven Pilzen, die aus Wasserproben und Flechten früherer Polarexpeditionen isoliert wurden. Dabei stießen sie auf Gene, die eine enge Verwandtschaft zu einem bekannten bakteriellen Gen, dem InaZ-Gen, aufwiesen. Dieses Gen ist entscheidend für die Bildung von Eisnukleationsproteinen in Bakterien.
Die Ergebnisse zeigten jedoch bedeutende Unterschiede zwischen den bakteriellen und den pilzlichen Proteinen. Während die bakteriellen Proteine typischerweise in Membranen eingebettet sind, sind die neu entdeckten Pilzproteine wasserlöslich und weisen eine ungewöhnlich hohe Stabilität auf. Die phylogenetische Analyse ergab, dass das InaZ-Gen wahrscheinlich in der Vergangenheit durch horizontalen Genaustausch von Bakterien auf einen gemeinsamen Vorfahren der Pilze übertragen wurde. Dies deutet darauf hin, dass die Pilze nicht unabhängig die Fähigkeit zur Eiskeimbildung entwickelt haben, sondern vielmehr eine leistungsstarke Eigenschaft der Bakterien übernommen und an ihre spezifischen physiologischen Bedürfnisse angepasst haben.
Die Forscher führten Experimente durch, um die Funktionalität der identifizierten Pilzgene zu bestätigen. Sie transferierten zwei der Kandidatengene in nicht-eisaktive Hefen und Bakterien, woraufhin diese Mikroorganismen deutlich eisaktiv wurden. Dies bekräftigte den Zusammenhang zwischen den Genen und der Fähigkeit zur Eisbildung.
Die Anwendungen dieser Entdeckung sind vielversprechend. Die neuartigen, wasserlöslichen Eisnukleationsproteine könnten in verschiedenen Technologien eingesetzt werden, die auf kontrolliertem Gefrieren basieren. Konrad Meister hebt hervor, dass solche Proteine einfacher zu isolieren und in technologische Prozesse zu integrieren sind als membrangebundene Proteine. Dies könnte bedeutende Fortschritte in Bereichen wie der Kryokonservierung von Zellen und Organen, der Lebensmittelverarbeitung und sogar der Kunstschneeproduktion ermöglichen.
Die Fähigkeit zur Eisnukleation hat auch eine evolutionäre Dimension. Sie ist für Mikroorganismen von entscheidender Bedeutung, da sie ihnen Überlebensvorteile in ihrer Umwelt verschafft. In Wolken können Eiskristalle entstehen, die als Niederschlag zur Erde fallen und dabei Bakterien und Pilzsporen transportieren. Diese Mikroben erreichen neue Lebensräume, was ihre Verbreitung und Anpassung an unterschiedliche Umweltbedingungen fördert.
Ein bekanntes Beispiel für einen solchen Mechanismus ist Pseudomonas syringae, das in der Lage ist, Frostschäden an Pflanzen zu verursachen, indem es die Eisbildung in den Zellen der Pflanzen auslöst. Dies führt dazu, dass Pflanzensaft austritt, der den Bakterien als Nahrungsquelle dient. Darüber hinaus spielen eisnukleierende Bakterien eine wichtige Rolle im globalen Wasserkreislauf, da sie natürliche Auslöser für die Eisbildung in Wolken sind.
Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in der Studie „A Previously Unrecognized Class of Fungal Ice-Nucleating Proteins with Bacterial Ancestry“ veröffentlicht, die die neu entdeckte Klasse von Eisnukleationsproteinen in Pilzen beschreibt. Diese Entdeckung öffnet nicht nur neue Perspektiven für die Grundlagenforschung, sondern könnte auch praktische Anwendungen in verschiedenen Industrien ermöglichen.
