Một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science Advances đang mở ra một hướng đi hoàn toàn mới trong việc hiểu và kiểm soát quá trình đóng băng trong tự nhiên, khi các nhà khoa học phát hiện ra một loại protein đặc biệt từ nấm đất có khả năng kích hoạt nước đóng băng ở nhiệt độ cao bất thường, chỉ khoảng -2 độ C.
Theo nhóm nghiên cứu quốc tế, phát hiện này không chỉ giúp giải thích sâu hơn về cơ chế hình thành băng trong tự nhiên mà còn mang lại tiềm năng ứng dụng rộng lớn, từ điều khiển thời tiết, sản xuất thực phẩm cho đến cải thiện các mô hình khí hậu toàn cầu.
Trên thực tế, nước không phải lúc nào cũng đóng băng ngay khi nhiệt độ xuống dưới 0 độ C. Trong điều kiện thiếu “hạt mầm” để kết tinh, nước có thể tồn tại ở trạng thái siêu làm lạnh tới -46 độ C. Để chuyển sang trạng thái rắn ở nhiệt độ cao hơn, các phân tử nước cần một bề mặt hoặc chất xúc tác để bắt đầu hình thành cấu trúc tinh thể.
Trong tự nhiên, vai trò này thường do các hạt bụi, muội than hoặc các phân tử hóa học trong khí quyển đảm nhiệm. Ngoài ra, một số vi khuẩn cũng được biết đến với khả năng kích hoạt quá trình đóng băng nhờ các protein đặc biệt trên màng tế bào.
Tuy nhiên, phát hiện mới cho thấy một nhóm nấm đất thuộc họ Mortierellaceae có thể làm điều tương tự theo cách hiệu quả hơn đáng kể. Không giống như vi khuẩn phải tồn tại dưới dạng tế bào hoàn chỉnh, nấm tiết ra các protein hòa tan trong nước có thể hoạt động độc lập, đóng vai trò như những “hạt mầm” siêu hiệu quả cho quá trình kết tinh băng.
Để làm rõ cơ chế này, các nhà khoa học đã tiến hành giải trình tự DNA của các mẫu nấm thu thập từ môi trường nước và địa y ở vùng cực. Kết quả cho thấy sự tồn tại của những gene có cấu trúc tương tự với gene tạo băng ở vi khuẩn.
Nhằm kiểm chứng, nhóm nghiên cứu đã cấy những gene này vào các sinh vật khác như nấm men và vi khuẩn E. coli. Chỉ trong thời gian ngắn, các sinh vật này đã có được khả năng kích hoạt đóng băng, chứng minh vai trò trực tiếp của các gene nói trên.
Một điểm đáng chú ý là nguồn gốc của những gene này không phải từ quá trình tiến hóa thông thường, mà đến từ chuyển gen ngang, tức là sự trao đổi vật chất di truyền giữa các loài khác nhau. Theo các nhà khoa học, tổ tiên của loài nấm đã tiếp nhận “bản thiết kế” di truyền này từ vi khuẩn cách đây hàng triệu năm.
Tuy nhiên, nấm không chỉ sao chép mà còn cải tiến cơ chế. Nếu như vi khuẩn phụ thuộc vào cấu trúc màng tế bào để protein hoạt động hiệu quả, thì nấm đã tiến hóa để các protein này có thể tồn tại độc lập, hòa tan trong môi trường và vẫn giữ được tính ổn định cao.
Chính đặc điểm này mở ra tiềm năng ứng dụng vượt trội trong nhiều lĩnh vực. Trong công nghệ gieo mây, con người từ lâu đã sử dụng iod bạc để kích thích tạo mưa. Dù hiệu quả, chất này lại có độc tính cao và gây lo ngại về môi trường.
Các protein từ nấm, với bản chất tự nhiên và khả năng hoạt động mạnh mẽ, có thể trở thành giải pháp thay thế an toàn hơn. Nếu được sản xuất với chi phí hợp lý, chúng có thể giúp nâng cao hiệu quả điều khiển thời tiết mà không gây tác động tiêu cực đến môi trường.
Không dừng lại ở đó, khả năng kiểm soát quá trình đóng băng còn đặc biệt quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm và y học. Khi nước đóng băng ở nhiệt độ cao hơn, cấu trúc tế bào sẽ được bảo vệ tốt hơn, giúp duy trì chất lượng thực phẩm đông lạnh hoặc bảo quản mô sinh học hiệu quả hơn.
Trong bối cảnh này, việc sử dụng protein nấm mang lại lợi thế lớn so với vi khuẩn, bởi không cần đưa toàn bộ tế bào sống vào sản phẩm. Các protein có thể được tách chiết và tinh chế, đảm bảo tính an toàn và kiểm soát tốt hơn.
Ngoài ra, phát hiện này còn có ý nghĩa quan trọng đối với khoa học khí hậu. Sự hình thành băng trong mây ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phản xạ ánh sáng và giữ nhiệt của khí quyển, từ đó tác động đến nhiệt độ toàn cầu.
Do nấm tồn tại phổ biến trong đất, các bào tử và protein của chúng có thể dễ dàng được gió đưa lên khí quyển. Điều này cho thấy vai trò của chúng trong việc hình thành mây và điều tiết thời tiết có thể lớn hơn nhiều so với những gì con người từng nghĩ.
Việc xác định và hiểu rõ các phân tử này sẽ giúp các nhà khoa học cải thiện độ chính xác của các mô hình khí hậu, từ đó đưa ra những dự báo đáng tin cậy hơn về biến đổi khí hậu trong tương lai.
Từ một phát hiện ở cấp độ vi mô, nghiên cứu này đã mở ra những triển vọng lớn trong việc ứng dụng sinh học vào các vấn đề toàn cầu. Trong khi con người đang tìm kiếm những giải pháp bền vững để đối phó với biến đổi khí hậu, những “cỗ máy đóng băng” vô hình từ nấm đất có thể sẽ đóng vai trò quan trọng trong hành trình đó.
