Microbiologie in hapklare porties
Schimmels: De ijsmachines van de natuur
In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, bevriest water niet echt bij 0˚C. Hoewel ijsvorming thermodynamisch gunstig is onder 0˚C, kan ijs alleen worden gevormd als watermoleculen zich in kristallijne formaties rangschikken. Zuiver water moet temperaturen van wel -46˚C bereiken voordat het kristalliseert. Met een beetje hulp kan kristallisatie echter ook bij warmere temperaturen worden opgewekt. Als er onzuiverheden in het water zitten, kunnen watermoleculen een reeds bestaande structuur opbouwen in plaats van spontaan te kristalliseren. Dit proces om de vorming van kristalijs op gang te brengen heet nucleatie en abiotische ijskernen kunnen de vriestemperatuur verhogen tot -30˚C tot -15˚C.
Ijskernvorming (IN) is een eigenschap die veel voorkomt bij microben die geassocieerd worden met planten. Het is voordelig voor plantpathogenen wanneer ze vorstgevoelige planten infecteren om de vorming van ijskristallen in en rond de plantencel te induceren om de celwanden te scheuren, waardoor de voedingsstoffen in de cellen beschikbaar worden voor extracellulaire bacteriën en een infectiepunt wordt gecreëerd. Omgekeerd cultiveren vorstresistente planten ijskernvormende microben als commensalen omdat ijskernvorming vorstresistente planten beschermt door ijsvorming gelijkmatiger in het plantenweefsel te induceren en zo schade te voorkomen.
De meest goed gekarakteriseerde IN’s zijn bacteriën in de geslachten Pseudomonas, Pantoea en Xanthomonas, waarvan sommige eiwitten produceren die ijskernvorming induceren bij temperaturen zo warm als -2˚C. Meer recentelijk is aangetoond dat sommige soorten schimmels hun eigen versies van INs produceren. Deze studie richt zich op INs geproduceerd door de schimmel Fusarium acuminatum.
Eerdere studies die deze schimmelsoort onderzochten, stelden vast dat de IN-eiwitten waarschijnlijk kleiner waren dan 30kDa. Dit werd bepaald door filters te gebruiken met extreem kleine poriën, die alleen een bereik kunnen geven en geen nauwkeurige meting. Het doel van dit onderzoek was om deze eiwitten verder te karakteriseren en te ontdekken hoe deze schimmeleiwitten precies ijskernvorming induceren.
Om dit te doen, zuiverden de auteurs alle schimmeleiwitten met ijskernactiviteit en sorteerden ze met behulp van grootte-uitsluitingschromatografie. Dit is een methode die een mengsel van eiwitten sorteert op basis van hun grootte. Bij grootte-exclusiechromatografie wordt het monster door een kolom gevuld met kralen geleid. Het oppervlak van deze korrels is bedekt met kleine poriën van verschillende grootte. De kleinere eiwitten die erdoorheen gaan, komen vast te zitten in de poriën, terwijl de grotere eiwitten zonder problemen langs de kralen passeren. Als de eiwitten aan het andere uiteinde van de kolom worden verzameld, zullen de grotere eiwitten als eerste elueren en de kleinste eiwitten als laatste, omdat ze zijn vertraagd door de kralen.
De auteurs ontdekten dat de IN eiwitten elueerden met een aantal verschillende groottes: de eerste piek was 660kDa, gevolgd door een extreem grote piek van 12,4kDa en een kleinere piek van 5,3kDa. Interessant genoeg behield elke geïsoleerde grootte de ijskernactiviteit. Dit suggereerde dat de kleinere eiwitgroottes (12,4kDa en 5,3kDa) waarschijnlijk subeenheden waren die samenklonterden om de grote 660kDa eiwitten te vormen.
Hoewel het gebruikelijk is dat IN eiwitten in andere soorten aggregaten vormen van kleinere subeenheden, zijn bacteriële IN eiwitaggregaten vaak het meest effectief wanneer ze membraangebonden zijn. Deze schimmelsubeenheden zijn uniek in hun vermogen om aggregaten te vormen in een cel-vrije omgeving met behoud van een hoge IN activiteit. De auteurs schatten dat, als de 5,3 kDa eiwitten geïsoleerd uit de grootte-uitsluitingschromatografie de kleinste subeenheden zijn die door de schimmel worden gemaakt, er minstens 150 van deze subeenheden nodig zijn om een aggregaat te vormen dat groot genoeg is om ijs bij -4˚C te nucleeren.
Deze bevindingen hebben veel implicaties voor de manier waarop we ijskern proteïnen zouden kunnen gebruiken. IN-eiwitten zijn in veel opzichten nuttig voor mensen. Als we kunnen controleren hoe kristallen zich vormen bij het invriezen van dingen, verbetert dat de efficiëntie van cryopreservatie. Veel cellen en weefsels moeten bij zeer lage temperaturen worden bewaard, maar invriezen brengt vaak het risico van schade met zich mee. Door ijskernen op een meer gelijkmatige manier te induceren met IN-eiwitten wordt voorkomen dat er grote kristallen ontstaan die de celmembranen doen scheuren. Celvrije ijskern vorming zoals aangetoond in deze studie is nuttig omdat veel cellen worden ingevroren voor onderzoek of medisch gebruik, en zou de snelheid van celherstel en levensvatbaarheid verhogen voor procedures variërend van celkweek in laboratoria tot IVF voor patiënten.
Het nut van IN-eiwitten reikt verder dan het laboratorium en de geneeskunde; IN’s zijn ook betrokken bij cloud seeding en weermodificatie. IN-bacteriën zijn in deze context het best gekarakteriseerd. Plantgeassocieerde bacteriën worden uitgestoten in de atmosfeer en meegevoerd door opwaartse luchtstromen via stormen en wind. Eenmaal in de hogere atmosfeer beginnen de IN-eiwitten op de bacteriemembranen ijskristallisatie te katalyseren, waardoor wolken en uiteindelijk neerslag worden gevormd. Voor kunstmatige wolken zaaien wordt vaak de anorganische verbinding zilverjodide gebruikt, maar sommige bacteriële preparaten worden ook gebruikt in nepsneeuw.
Bioprecipitatie, het specifieke fenomeen van microben die wolkvorming en daaropvolgende neerslag veroorzaken, is nog steeds een onderbelicht onderzoeksgebied. De implicaties van cloud seeding en weersveranderingen en de langetermijneffecten op het klimaat zijn nog steeds niet goed gekarakteriseerd. In gebieden waar veel droogte voorkomt, kan het seeden van wolken een mogelijke oplossing zijn; het kan echter ook tot meer droogte leiden als wolken die naar de ene plaats trekken voortijdig in een andere plaats worden gezaaid. En het herhaaldelijk zaaien van wolken in een gebied met een middel als zilverjodide kan een risico vormen voor het milieu omdat het zilver zich ophoopt in de bodem. Daarom is het vinden van alternatieven, zoals de eiwitaggregaten die in dit onderzoek zijn geïdentificeerd, een belangrijke innovatie op dit gebied.
De onderzoekers zijn nog maar net begonnen met het uitdiepen van het potentieel van schimmelijskernen. Het vermogen van deze IN subeenheden om zelfstandig te aggregeren zonder dat de aanwezige schimmel nodig is, belooft veel goeds voor de landbouw, cryopreservatie en cloud seeding. Er is echter meer onderzoek nodig om ervoor te zorgen dat deze op een veilige manier kunnen worden geïmplementeerd zonder langetermijneffecten op het klimaat.
Featured image: https://pixabay.com/photos/ice-cold-snowflakes-ice-crystals-1997289/
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 