真菌が秘める氷形成の謎：最新の生命科学研究が明らかにする自然の力

生物は、寒冷な環境で生き残るための適応として、氷形成を制御するさまざまな方法を進化させてきました。したがって、最も効率的な氷核形成粒子は、バクテリアや真菌、さらには昆虫によって生成される生物学的起源のものですが、これらの「生物学的氷核」の分子基盤や正確なメカニズムはまだ十分に理解されていません。

ユタ大学の科学部の理論化学者であるヴァレリア・モリネロ博士（Valeria Molinero, PhD）は、この謎を解明する先頭に立っています。この研究は、生命が降水や気候にどのように影響するかという我々の理解を深める可能性を秘めています。

彼女が共同主導した新しい研究では、国際的な研究チームが真菌の氷核形成体の特徴と性質を探求し、それらが小さなタンパク質のサブユニットで構成されており、氷の成長を促進するとともに抑制する役割を果たしていることを明らかにしました。

「これらは環境に分泌されるタンパク質で、氷核形成に非常に効果的な粒子です。しかし、生物がこれらの氷核形成能力からどのような利益を得ているのかは不明で、生物のすべての可能な変種に存在するわけではありません。彼らがなぜ氷を形成するのか、またそれが有利であるかどうかはわかりません。」とモリネロ博士は述べています。

多分野にわたる研究チームは、フサリウム・アクミナータム（Fusarium acuminatum）と呼ばれる真菌の種に焦点を当て、非常に微細なタンパク質が集合してより大きな粒子を形成することを発見しました。これらの発見は2023年11月9日にPNASで公開された論文で発表されました。このオープンアクセスの論文のタイトルは「Functional Aggregation of Cell-Free Proteins Enables Fungal Ice Formation（細胞外タンパク質の機能的集合による真菌の氷形成）」です。

共同主著者であるコンラッド・マイスター博士（Konrad Meister, PhD）によると、小さい構成要素からより大きな集合体を形成するメカニズムは、真菌以外の生物にも見られます。

「それにもかかわらず、真菌のタンパク質構成要素の小ささに比べてその効率の高さには驚きました。他の同様に効果的な氷製造タンパク質の例を挙げると、たとえば、他の生物からは25倍大きいものがあります。」とマイスター博士は述べています。

バクテリアや真菌のタンパク質は、氷を形成するためにマイナス10度からマイナス2度の範囲で効果的に働くことができます。一部のバクテリアは氷を促進するのが非常に効果的であるため、スキー場で雪を作る製品に使用されています。

モリネロ博士は、多くの異なる種類の生物が同様の氷核形成能力を進化させたことに興味を持っています。彼女は当初、論文のタイトルを「E pluribus unum（多様な中の一つ）」とすることを考えていましたが、雑誌側がラテン語の使用を断念するよう要求しました。

「氷を核形成できる王国全体を見ると、昆虫、地衣類、バクテリア、真菌などがあります。これらはすべて、非常に強力な氷核形成体を独立して進化させたようです。そして、自然界における非常に効果的なすべての氷核形成は、タンパク質によって行われているようで、生物によって個々の氷核形成タンパク質のサイズは大きく異なります。」と彼女は述べています。

氷核形成の生態学的な利点や、それが雲の形成や降水に果たす役割はまだ十分に理解されておらず、気候と生命の相互作用を理解する上で重要なギャップが存在しています。この研究は、食品の冷凍プロセス、人工降雪、または雲の種まきの効率を向上させるための道を開く可能性があります。

しかし、チームの発見にはさらに多くの疑問が生じます。例えば、これらのタンパク質がなぜ、どのように集合するのかなどです。

「もう一つの疑問は、彼らがこれを意図的に行っているのか、それとも何か他の目的で生産されるタンパク質が偶然この性質を持っているのかということです」とモリネロ博士は述べています。これらの基本的な疑問を解決するには、化学、生物物理学、生物学のさまざまな分野の専門家が協力することが必要です。

「これが前向きなメッセージです。生物による氷形成の制御の謎を解くことは、科学者たちに協力を促します。私たち一人一人が知識の一部を持っていますが、一緒になればとても多くのことができます。これは楽しいことです。」とモリネロ博士は言います。

この研究の共同第一著者であるイングリッド・デ・アルメイダ・リベイロ博士（Ingrid de Almeida Ribeiro, PhD）も、モリネロ研究室の博士研究員です。

[News release] [PNAS article]