Proteína de um fungo do solo congela água a −2 °C e pode mudar medicina, clima e agricultura

Um discreto fungo do solo está a chamar a atenção: os seus blocos de construção proteicos conseguem fazer a água, perto do ponto de congelação, solidificar quase instantaneamente - com implicações para a medicina, o clima e a agricultura.

O que parece tirado da ficção científica desenvolve-se, sem alarido, em muitos solos. Um fungo comum da família Mortierellaceae fabrica uma estrutura proteica invulgar que consegue transformar água em gelo mesmo com poucos graus abaixo de zero. Uma equipa internacional descreveu agora este mecanismo ao pormenor - e vê nele um potencial fator de mudança para a modificação do tempo, os alimentos ultracongelados e o congelamento controlado de células vivas.

Uma proteína fúngica que congela água já a −2 °C

O centro da investigação é um único tipo de proteína, produzido em quantidades consideráveis por este fungo do solo. Em condições laboratoriais, observou-se que, quando estas moléculas entram em contacto com água muito fria e quase pura, os cristais de gelo surgem significativamente mais cedo do que seria expectável - por volta de −2 °C.

Em geral, água extremamente pura pode manter-se líquida bem abaixo de 0 °C, desde que falte um “gatilho” adequado para iniciar a cristalização. A este fenómeno os especialistas chamam “subarrefecimento”. É precisamente aqui que a substância do fungo atua: fornece uma espécie de superfície-guia onde as moléculas de água se conseguem alinhar e formar um padrão de gelo estável.

A estrutura do fungo funciona como um botão de arranque para o gelo - oferece ao primeiro cristal o lugar perfeito para se formar.

Até agora, capacidades semelhantes eram conhecidas sobretudo em certas bactérias, como Pseudomonas syringae. Estes microrganismos são estudados há anos por também desencadearem o congelamento da água. No entanto, a proteína do fungo distingue-se num ponto crucial: continua a funcionar mesmo quando já não existe uma célula viva.

Hidrossolúvel e utilizável de forma independente: a grande vantagem da proteína do fungo

Segundo os investigadores, esta “ajuda ao congelamento” de origem fúngica é solúvel em água. Pode ser libertada das células e mantém-se ativa como molécula livre em suspensão. Em contraste, muitas proteínas bacterianas que promovem gelo costumam estar ligadas a células intactas e vivas, perdendo eficácia quando delas se separam.

Da solubilidade em água resultam várias vantagens práticas:

• A proteína pode ser purificada com relativa facilidade a partir da biomassa do fungo.
• Pode ser aplicada sem microrganismos vivos, o que tende a simplificar questões de segurança e processos de autorização.
• A sua concentração em soluções aquosas pode ser ajustada de forma precisa.
• Em teoria, presta-se a aplicações por pulverização, por exemplo em nuvens ou sobre superfícies de plantas.

Os resultados foram publicados na revista científica Science Advances. Para localizar o gene responsável no genoma do fungo, a equipa recorreu a sequenciação moderna de ADN e a análises bioinformáticas, permitindo excluir muitos outros candidatos e atribuir, de forma inequívoca, a função à região genética determinante.

Troca genética antiga: o fungo “pede emprestada” a capacidade às bactérias

Ao analisar o material genético, os cientistas depararam-se com um elemento inesperado. O gene da proteína formadora de gelo não corresponde ao conjunto genético típico desta família de fungos. Pelo contrário, a sua arquitetura é muito semelhante à de genes bacterianos. A explicação mais plausível é que, há muito tempo, uma bactéria transferiu este segmento de informação hereditária para o fungo.

Este tipo de passagem é conhecido como transferência horizontal de genes. Em vez de seguir a via habitual (de progenitores para descendentes), um gene passa diretamente entre espécies diferentes. Trata-se de um fenómeno relativamente raro, mas que ocorre sobretudo entre microrganismos.

Ao que tudo indica, o fungo não “inventou” por si a capacidade de provocar congelação, mas pediu-a emprestada ao reino das bactérias há muitas gerações.

Na avaliação da equipa, este evento aconteceu pelo menos há várias centenas de milhares de anos - e provavelmente há milhões. Desde então, o fungo não só manteve o gene como também o foi ajustando, o que sugere que a característica lhe dá uma vantagem concreta no ambiente.

Porque é que uma proteína de congelação é útil para um fungo do solo

A função ecológica exata da proteína ainda não está totalmente esclarecida. Ainda assim, existem várias hipóteses em cima da mesa:

• Proteção contra danos de geada: ao iniciar a congelação mais cedo, podem formar-se cristais mais pequenos, potencialmente menos propensos a rasgar as células do fungo.
• Impacto na estrutura do solo: ciclos de congelação e degelo soltam o solo e alteram fluxos de água - algo de que as hifas fúngicas podem beneficiar.
• Vantagem na competição: ao modificar microclimas locais, o fungo pode prejudicar microrganismos concorrentes.

O essencial é que, no solo, quem consegue influenciar a passagem da água para o gelo interfere diretamente em processos físicos - e, por consequência, nas condições de vida de incontáveis organismos microscópicos.

Da modificação do tempo à conservação de órgãos

O alcance potencial desta proteína fúngica vai muito além da ciência básica. Em vários setores podem surgir aplicações, desde que seja possível produzir a substância de forma económica e em grande escala.

Utilização na produção artificial de chuva

Um dos campos mais óbvios é a chamada sementeira de nuvens. A técnica consiste em introduzir partículas minúsculas nas nuvens (por aviões ou estações terrestres) para favorecer chuva ou neve. Com frequência, utiliza-se iodeto de prata, um sal inorgânico que é repetidamente alvo de debate por possíveis impactos ambientais.

A ideia dos investigadores passa por uma alternativa biológica e biodegradável, com comportamento semelhante, mas sem recorrer a sais metálicos. Em forma de aerossol muito fino, a proteína do fungo poderia atuar nas nuvens como ponto de partida para cristais de gelo e, assim, desencadear precipitação.

Uma proteína natural como “fazedora de chuva” - isso poderia tornar projetos meteorológicos mais compatíveis com o ambiente do que os métodos químicos atuais.

Antes de tal aplicação, seriam necessários testes extensos: estabilidade a grande altitude, dispersão na atmosfera e avaliação de possíveis resíduos que acabem por chegar ao solo.

Congelamento mais suave de células e tecidos

Outra área é a crioconservação. Laboratórios e clínicas congelam com regularidade células estaminais do sangue, óvulos, embriões, fragmentos de pele e outros tecidos. O processo envolve um equilíbrio delicado: se a água congela demasiado tarde, formam-se cristais grandes que podem destruir membranas celulares; se congela demasiado depressa, podem surgir outras respostas de stress.

A proteína do fungo poderá tornar o processo mais controlável. Ao elevar de forma muito específica o ponto em que a congelação se inicia, é possível favorecer muitos cristais pequenos, que tendem a causar menos danos mecânicos às células. Em combinação com substâncias protetoras já usadas, como glicerina ou dimetilsulfóxido, isto poderia aumentar a taxa de sobrevivência das amostras após descongelação.

Estrutura de gelo mais fina nos alimentos

A indústria alimentar também tem motivos para acompanhar estes dados. Em gelados, fruta ultracongelada ou filetes de peixe, o tamanho dos cristais de gelo influencia textura e perdas de água. Quanto menores os cristais, mais cremoso ou suculento costuma ser o produto depois de descongelado.

Uma dose pequena e rigorosamente controlada da proteína fúngica poderia ajudar a fazer com que a água no alimento cristalize de forma uniforme e a uma temperatura bem definida. Isso poderá contribuir para estabilizar a qualidade durante transporte e armazenamento.

Área	Possível utilidade da proteína do fungo
Meteorologia	Alternativa biológica ao iodeto de prata na sementeira de nuvens
Medicina / biobancos	Congelamento mais suave de células, tecidos e embriões
Indústria alimentar	Melhor textura em ultracongelados devido a cristais mais finos

O grande obstáculo: produção à escala industrial

Apesar de o cenário parecer promissor, todas as aplicações esbarram na mesma questão prática: como obter a proteína de forma eficiente? Recolhê-la diretamente de culturas de fungos será, muito provavelmente, demasiado caro e lento para objetivos industriais.

Uma via mais plausível é biotecnológica. Para isso, o gene responsável seria introduzido em organismos de produção de crescimento rápido - por exemplo leveduras ou bactérias - que se multiplicam em fermentadores de aço. Esses microrganismos funcionariam como pequenas fábricas, produzindo grandes quantidades da proteína fúngica.

O caminho exige várias etapas: otimização do código genético, afinação das condições no fermentador, purificação do produto final e, por fim, testes de segurança. Em aplicações médicas ou de utilização na atmosfera, as exigências regulamentares quanto à pureza e estabilidade são particularmente rigorosas.

O que o público deve saber sobre proteínas do gelo

Proteínas que influenciam o gelo são mais comuns na natureza do que parece. Certos insetos, plantas e peixes usam moléculas semelhantes para lidar com o frio. Algumas evitam totalmente a congelação; outras direcionam o congelamento para zonas do corpo onde cause menos danos.

A proteína deste fungo pertence ao grupo que inicia ativamente a formação de gelo. Sem este tipo de impulso, a água poderia, em teoria, manter-se líquida a −10 °C ou −20 °C, desde que estivesse extremamente limpa e sem agitação. No quotidiano isso quase não acontece, porque poeiras, sais e impurezas microscópicas estão praticamente sempre presentes e funcionam como núcleos de cristalização descontrolados.

O interesse da proteína fúngica está em substituir essa componente aleatória do processo. Em vez de os cristais aparecerem “em algum lado” e “em algum momento”, a formação de gelo passa a ocorrer num instante e num local definidos. Para aplicações técnicas, isto significa mais controlo sobre um fenómeno que, até aqui, era encarado como largamente ditado pela física.

A longo prazo, esta linha de investigação pode alimentar outras ideias: revestimentos que tornem mais controlável a formação de gelo em asas de aviões, ou novos agentes de proteção contra geadas em culturas agrícolas. Por enquanto, o trabalho com este fungo está no início. Ainda assim, o facto de um habitante do solo, praticamente desconhecido, conseguir atuar com tamanha precisão sobre a água prestes a congelar mostra quantos truques físicos a natureza já desenvolveu - muito antes de os laboratórios os tentarem reproduzir.