Bodenpilz und sein Eiweiß: Neue Chancen für Eisbildung, Wettersteuerung und Medizin

Was zunächst nach einem rein physikalischen Vorgang klingt, erweist sich als biologischer Kniff: Ein Bodenpilz bildet eine spezielle Eiweißstruktur, die Wasser bereits knapp unter dem Gefrierpunkt zu Eis werden lässt. Sollte sich das Phänomen industriell nutzen lassen, könnte die Entdeckung die Wettermanipulation, die Medizin und die Lebensmittelindustrie nachhaltig verändern.

Ein Bodenpilz aus dem Garten beeinflusst den Gefrierpunkt

Im Mittelpunkt der Studie steht ein Pilz aus der Familie der Mortierellaceae. Diese Mikroorganismen kommen weltweit im Boden vor, darunter auch in gewöhnlichen Gärten und auf Feldern. Ein internationales Forschungsteam um Boris Vinatzer und Xiaofeng Wang von der Universität Virginia Tech hat nun nachgewiesen, dass der Pilz ein Eiweiß produziert, das gewissermaßen als Startknopf für die Eisbildung wirkt.

Extrem reines Wasser kann normalerweise auch deutlich unter null Grad flüssig bleiben. Diesen Zustand bezeichnen Fachleute als „Unterkühlung“. Eiskristalle entstehen erst, wenn ein Teilchen, eine Oberfläche oder eine geeignete Struktur hinzukommt. An genau diesem Punkt setzt das Pilzeiweiß an.

Die pilzliche Eiweißstruktur fungiert als Gerüst, an dem sich Wassermoleküle so anordnen, dass sofort feine Eiskristalle entstehen – schon ab etwa minus zwei Grad.

In der Physik ist dieser Mechanismus bekannt, bislang jedoch vor allem durch bestimmte Bakterien. Manche Mikroben verwenden vergleichbare Proteine, um Frost zu fördern und dadurch Pflanzengewebe zu schädigen. Die nun beschriebene Variante aus dem Pilz unterscheidet sich allerdings in einem wesentlichen Punkt von den bakteriellen Proteinen.

Warum das Eiweiß des Bodenpilzes die Forschung begeistert

Eisbildungsproteine von Bakterien wirken meist nur, solange die zugehörige Zelle lebt und intakt ist. Dadurch sind sie schwieriger zu handhaben und für zahlreiche technische Anwendungen unpraktisch. Beim Eiweiß des Pilzes ist das anders:

• Es ist wasserlöslich.
• Es bleibt auch ohne lebende Zelle wirksam.
• Es kann aus der umgebenden Lösung isoliert und theoretisch gezielt verwendet werden.

Für ihre Studie setzten die Forschenden moderne DNA-Sequenzierung und bioinformatische Analysen ein. Damit fanden sie das zuständige Gen im Erbgut der Mortierellaceae. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Science Advances“.

Die Fähigkeit ist somit nicht der gesamten Pilz-DNA zuzuschreiben, sondern an ein bestimmtes Gen gebunden. Wer dieses Gen versteht und technisch nachbauen kann, verfügt über einen vergleichsweise präzisen Werkzeugkasten, um die Eisbildung zu steuern.

Ein genetisches Geschenk aus der Bakterienwelt

Die größte Überraschung betraf die Herkunft des Gens: Der Pilz hat es nicht selbst hervorgebracht. Die genetische Analyse deutet darauf hin, dass eine Bakterienart den Bauplan für das Eiweiß vor sehr langer Zeit an den Pilz weitergab.

Fachleute nennen diesen Vorgang „horizontalen Gentransfer“. Erbmaterial gelangt dabei von einer Art zu einer anderen, ohne über Eltern und Nachkommen vererbt zu werden. Das geschieht selten, kommt bei Mikroorganismen aber immer wieder vor und verändert mitunter ganze Stoffwechselwege.

Den Berechnungen des Teams zufolge fand der Transfer vermutlich vor Hunderttausenden, vielleicht sogar Millionen Jahren statt. Der Pilz hat das fremde Gen seither nicht nur bewahrt, sondern offenbar auch optimiert. Das spricht stark dafür, dass ihm die beschleunigte Eisbildung im Lauf der Evolution einen echten Vorteil verschaffte, etwa beim Überleben in kalten Böden oder beim Zusammenspiel mit Pflanzenwurzeln.

Was dieser Fall über Pilze allgemein zeigt

Die Entdeckung verdeutlicht, wie flexibel Pilze auf genetischer Ebene sind. Sie können Werkzeuge aus völlig anderen Lebensbereichen übernehmen und in ihre eigene Biologie integrieren. Damit sind sie sowohl für Ökosysteme als auch als Quelle neuer biotechnologischer Lösungen interessant. Schon heute stammen viele Medikamente, Enzyme und technische Hilfsstoffe aus Pilzen; das Gefriereiweiß könnte ein weiterer Baustein werden.

Potenzial für Wettersteuerung und Medizin

Für das neue Eiweiß liegen praktische Anwendungsideen nahe. Ein wichtiger Bereich ist die sogenannte Wolkenimpfung: Flugzeuge bringen dabei bestimmte Stoffe in Wolken ein, um Regen oder Schneefall auszulösen.

Häufig wird dafür derzeit Silberjodid verwendet. Der Stoff steht in der Kritik, weil seine Rückstände in der Umwelt bleiben können. Das Pilzprotein könnte als biologische und möglicherweise besser abbaubare Alternative dienen.

Statt eines problematischen Salzes könnten künftig natürliche Eiweißmoleküle den Startschuss für Regen und Schnee geben – das wäre ein Paradigmenwechsel in der Wetterbeeinflussung.

Fachleute sehen auch in der Medizin Möglichkeiten. Bei der Kryokonservierung, also der gefrorenen Lagerung von Zellen, Gewebe oder Embryonen, bereitet die Größe der Eiskristalle dauerhaft Probleme. Entstehen Kristalle erst spät, werden sie häufig sehr groß und schädigen Zellmembranen.

Löst das Pilzeiweiß das Gefrieren früher aus, bilden sich eher viele kleine Kristalle. Dadurch lassen sich Zellstrukturen und empfindliche Proben möglicherweise besser schützen. Vorstellbare Einsatzgebiete sind:

• die Lagerung von Stammzellen für Therapien,
• die Kryokonservierung von Eizellen und Embryonen in der Reproduktionsmedizin,
• das schonende Einfrieren von Gewebeproben für Diagnostik und Forschung.

Auch die Lebensmittelbranche beobachtet die Entwicklung

Das Problem ist allen bekannt, die schon einmal wässriges Speiseeis oder kristallige Tiefkühlkost gegessen haben: Große Eiskristalle beeinträchtigen Textur und Mundgefühl. Seit Jahren bemühen sich Hersteller daher, möglichst kleine Kristalle entstehen zu lassen.

Ein steuerbares Eisbildungseiweiß aus einem harmlosen Bodenpilz könnte dafür als Werkzeug dienen. Bei passender Dosierung ließe sich die Kristallstruktur gefrorener Produkte gezielt beeinflussen. Das könnte dazu führen, dass:

• Speiseeis cremiger wirkt,
• Gemüse nach dem Auftauen knackiger bleibt,
• gefrorene Fertiggerichte gleichmäßiger auftauen.

Für die Industrie ist vor allem entscheidend, ob sich das Verfahren skalieren lässt. Ein Erfolg im Labor allein genügt nicht: Das Eiweiß müsste in großen Mengen herstellbar und stabil sein sowie preislich mit heutigen Verfahren mithalten können.

Das große Fragezeichen: Massenproduktion

Darin liegt derzeit die größte Schwierigkeit. Das Forschungsteam gewinnt das Eiweiß bislang nur in kleinem Maßstab aus Pilzkulturen. Für Anwendungen in Wolken, Kliniken oder Fabriken wären jedoch ganz andere Mengen notwendig.

Mehrere Möglichkeiten stehen zur Diskussion:

• Die Pilze direkt in Bioreaktoren kultivieren und das Eiweiß anschließend gewinnen.
• Das Gen auf Bakterien oder Hefen übertragen, die sich leichter in großem Stil züchten lassen.
• Das Eiweiß anhand des bekannten Bauplans synthetisch herstellen, etwa mithilfe gentechnisch optimierter Zellsysteme.

Jede Variante ist mit eigenen technischen und regulatorischen Hürden verbunden. Dazu zählen Produktionskosten und Reinheit ebenso wie Sicherheitsbewertungen für Mensch und Umwelt. Bis zu einer tatsächlichen Anwendung im Alltag könnten noch Jahre vergehen.

Was Laien aus der Studie mitnehmen können

Die Arbeit macht deutlich, wie eng Biologie und Physik im Alltag miteinander verflochten sind. Eisbildung erscheint zunächst einfach: Wasser kühlt ab und gefriert. Tatsächlich bestimmen winzige Strukturen, wann und auf welche Weise Kristalle entstehen. Ein einziges Eiweiß kann den Unterschied zwischen einer harmlosen Frostschicht und einem zerstörerischen Eisschaden ausmachen.

Menschen, die öfter mit Gefrieren zu tun haben, etwa beim Kochen oder beim Garteln, erhalten dadurch einen neuen Blick auf den Vorgang: Neben Temperatur und Zeit sind auch die „Startpunkte“ für Kristalle wichtig. Forschungsteams arbeiten bereits mit künstlichen Eisbildungsoberflächen; der Pilz liefert nun eine Art natürliche Blaupause dafür.

Interessant dürfte zudem werden, wie sich solche Eiweiße mit vorhandenen Frostschutzmitteln verbinden lassen. In Pflanzen, Fischen und Insekten kommen Stoffe vor, die die Eisbildung hemmen oder Kristalle in eine ungefährliche Form bringen. Künftig könnten Mischungen aus gefrierfördernden und gefrierhemmenden Molekülen sehr genau steuern, was in welcher Umgebung geschieht – vom Wassertropfen in der Wolke bis zur Zelle im Laborgefäß.

Noch bleibt der Bodenpilz ein unauffälliger Akteur im Untergrund. Sein genetisches Erbe könnte den Umgang mit Kälte und Eis jedoch in vielen Branchen neu prägen – von der Wetterforschung bis zur Tiefkühltruhe im Supermarkt.