Fungo do solo Mortierellaceae: proteína que inicia a formação de gelo

O que à primeira vista soa a física pura revela-se, neste caso, como um artifício biológico: um fungo do solo produz uma estrutura proteica invulgar capaz de transformar água em gelo já um pouco abaixo do ponto de congelação. Se este efeito puder ser explorado à escala industrial, a descoberta poderá ter impacto duradouro na manipulação do tempo, na medicina e na indústria alimentar.

Um fungo do solo do jardim “brinca” com o ponto de congelação

No centro do estudo está um fungo da família Mortierellaceae. Estes microrganismos vivem em solos de todo o mundo, incluindo em jardins e em campos agrícolas comuns. Uma equipa internacional liderada por Boris Vinatzer e Xiaofeng Wang, da Virginia Tech, demonstrou agora que este fungo produz uma proteína que funciona como uma espécie de botão de arranque para a formação de gelo.

Em condições normais, água extremamente pura pode manter-se líquida bem abaixo de 0 °C. A este fenómeno, os especialistas chamam “subarrefecimento”. Só quando surge uma partícula, uma superfície ou uma estrutura adequada é que a nucleação se inicia e os cristais de gelo começam a formar-se. É precisamente aqui que entra a proteína do fungo.

"A estrutura proteica do fungo funciona como um andaime no qual as moléculas de água se organizam de tal forma que surgem de imediato cristais de gelo muito finos - já a partir de cerca de -2 °C."

Para os físicos, trata-se de um mecanismo bem conhecido, mas até aqui associado sobretudo a certas bactérias: algumas usam proteínas semelhantes para danificar tecidos vegetais, ao favorecerem a ocorrência de geada. A variante agora descrita no fungo, porém, distingue-se de forma clara das proteínas bacterianas num ponto importante.

Porque é que esta proteína deixa os investigadores particularmente entusiasmados

As proteínas bacterianas que promovem a formação de gelo, na maioria dos casos, só funcionam quando a célula correspondente permanece intacta e viva. Isso torna-as mais difíceis de manusear e pouco práticas em muitas aplicações técnicas. No caso do fungo, o cenário é diferente:

• A proteína do fungo é solúvel em água.
• Continua activa mesmo na ausência de uma célula viva.
• Pode ser isolada a partir da solução envolvente e, em teoria, aplicada de forma dirigida.

Para chegar a estas conclusões, os investigadores recorreram a sequenciação moderna de ADN e a análises bioinformáticas. Assim, identificaram no genoma das Mortierellaceae o gene responsável pelo fenómeno. Os resultados foram publicados na revista científica "Science Advances".

Deste modo, fica estabelecido que a capacidade não está dispersa por todo o ADN do fungo: depende de um gene muito específico. Quem compreender esse gene e conseguir reproduzi-lo tecnicamente passa a dispor de um conjunto relativamente preciso de ferramentas para controlar a formação de gelo.

Um presente genético vindo do mundo das bactérias

A maior surpresa surgiu ao investigar a origem do gene. O fungo não o “inventou” por si. A análise genética aponta para que uma bactéria tenha transferido este plano de construção para o fungo há muito tempo.

Os especialistas designam este processo por “transferência horizontal de genes”. Trata-se da passagem de material genético de uma espécie para outra sem a via clássica de pais para descendentes. É raro, mas ocorre repetidamente entre microrganismos - e, por vezes, altera vias metabólicas inteiras.

De acordo com os cálculos da equipa, o evento terá ocorrido há centenas de milhares, possivelmente há milhões de anos. Desde então, o fungo não só reteve o gene estranho, como também o optimizou de forma detectável. Isso sugere fortemente que a capacidade de acelerar a formação de gelo lhe trouxe uma vantagem evolutiva real - por exemplo, ao sobreviver em solos frios ou na interacção com raízes de plantas.

O que este caso revela sobre os fungos em geral

A descoberta evidencia a flexibilidade genética dos fungos. Eles conseguem incorporar “ferramentas” de domínios biológicos muito distintos e integrá-las na própria biologia. Isto torna-os relevantes não apenas para os ecossistemas, mas também como fonte de novas soluções biotecnológicas. Muitos medicamentos, enzimas e auxiliares técnicos já têm hoje origem fúngica - e esta proteína associada ao congelamento pode vir a ser mais uma peça nesse conjunto.

Potencial para controlo meteorológico e medicina

As ideias de aplicação prática para esta proteína surgiram rapidamente. Um dos campos mais falados é a chamada semeadura de nuvens: aeronaves introduzem substâncias nas nuvens para estimular a precipitação, sob a forma de chuva ou neve.

Actualmente, usa-se com frequência iodeto de prata - uma substância criticada por poder deixar resíduos no ambiente. A proteína do fungo poderá funcionar como alternativa biológica e potencialmente mais biodegradável.

"Em vez de um sal problemático, no futuro, moléculas proteicas naturais poderão dar o sinal de partida para a chuva e a neve - isso seria uma mudança de paradigma na modificação do tempo."

Também na medicina há expectativas. Na criopreservação - isto é, a conservação de células, tecidos ou embriões em estado congelado - o tamanho dos cristais de gelo é um problema recorrente. Quando os cristais se formam tardiamente, tendem a crescer demasiado e a danificar membranas celulares.

Se a proteína do fungo fizer o congelamento começar mais cedo, é mais provável que se formem muitos cristais pequenos. Isso pode proteger melhor a estrutura de células e amostras sensíveis. Entre as aplicações possíveis incluem-se:

• Armazenamento de células estaminais para terapias
• Criopreservação de óvulos e embriões em medicina da reprodução
• Congelação mais suave de amostras de tecido para diagnóstico e investigação

A indústria alimentar também está atenta

Quem já provou gelado aguado ou alimentos ultracongelados com textura cristalina conhece bem o efeito: cristais grandes estragam a consistência e a sensação na boca. Há anos que os fabricantes tentam favorecer a formação de cristais pequenos.

Uma proteína controlável de formação de gelo, proveniente de um fungo do solo inofensivo, poderia tornar-se precisamente a ferramenta necessária. Com uma dosagem adequada, seria possível influenciar de forma direccionada a estrutura cristalina em produtos congelados. Isso poderia:

• tornar o gelado mais cremoso,
• ajudar a manter os legumes mais estaladiços após a descongelação,
• permitir que refeições prontas congeladas descongelem de forma mais uniforme.

Para a indústria, porém, o ponto decisivo é a escalabilidade. Um truque de laboratório não chega: a proteína teria de ser produzida em grandes quantidades, manter-se estável e competir em preço com os processos actuais.

A grande incógnita: produção em massa

É aqui que reside, neste momento, o maior obstáculo. A equipa de investigação ainda obtém a proteína em pequena escala a partir de culturas do fungo. Para utilização em nuvens, em hospitais ou em fábricas, seriam necessárias dimensões completamente diferentes.

Há várias possibilidades em cima da mesa:

• Cultivar directamente os fungos em biorreactores e, depois, extrair a proteína.
• Transferir o gene para bactérias ou leveduras, que são mais fáceis de produzir em larga escala.
• Produzir de forma sintética com base no plano de construção conhecido, por exemplo através de sistemas celulares geneticamente optimizados.

Cada via traz desafios técnicos e regulamentares próprios - desde custos de produção e requisitos de pureza até avaliações de segurança para o ambiente e para as pessoas. Até chegar a aplicações correntes, ainda poderão passar anos.

O que o público não especializado pode retirar deste estudo

Este trabalho ilustra quão interligadas estão a biologia e a física no quotidiano. À primeira vista, formar gelo parece simples: a água arrefece, congela e pronto. Na realidade, são estruturas minúsculas que determinam quando e como os cristais se organizam. Uma única proteína pode ser a diferença entre uma camada de geada inofensiva e danos severos provocados pelo gelo.

Para quem lida com congelamento com frequência - na cozinha ou na jardinagem, por exemplo - surge uma perspectiva diferente: não contam apenas a temperatura e o tempo, mas também os “pontos de arranque” onde os cristais começam a crescer. Em investigação, já se trabalham superfícies artificiais de nucleação do gelo; agora, o fungo fornece uma espécie de modelo natural para isso.

Outra questão interessante será perceber como estas proteínas poderão ser combinadas com compostos anticongelantes já conhecidos. Em plantas, peixes ou insectos existem substâncias que travam a formação de gelo ou obrigam os cristais a assumir formas menos perigosas. No futuro, misturas de moléculas que promovem e que inibem o congelamento poderão permitir um ajuste muito fino do que deve acontecer em cada ambiente - da gota de água numa nuvem à célula num frasco de laboratório.

Por agora, este fungo do solo continua a ser um actor discreto no subsolo. Ainda assim, a herança genética que carrega tem potencial para redefinir a forma como lidamos com o frio e o gelo em vários sectores - desde a investigação meteorológica até ao congelador do supermercado.