24. November 2023 ǀ Während Schnee und Hagel in den Wolken entstehen und Pilze und andere Mikroorganismen auf dem Erdboden gedeihen, haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung, unter der Leitung von Konrad Meister, eine Verbindung zwischen diesen beiden Phänomenen entdeckt. Sie haben herausgefunden, dass Mikroben die Eisbildung in Wolken beeinflussen können.
Diese Entdeckung, die erst in den letzten Jahren intensiver erforscht wurde, hat das Potenzial, technologisch genutzt zu werden. Die Forscher haben speziell untersucht, wie Mikroben auf molekularer Ebene die Eisbildung bewerkstelligen.
Eisbildung durch Pilze: Eine Untersuchung der Gattung Fusarium
In der Schule lernen wir, dass Wasser bei 0 Grad Celsius gefriert. Allerdings gefriert reines Wasser ohne Fremdkörper erst bei viel niedrigeren Temperaturen um -40 Grad Celsius. Kondensationskeime wie Staub oder Schmutzpartikel sorgen für höhere Gefriertemperaturen. Es gibt bestimmte biologische Stoffe in Pollen, Bakterien und Pilzen, die besonders effizient bei der Unterstützung solcher Eisbildung sind. Die molekulare Basis und die genauen Mechanismen dieser “Biologischen Eiskeime” waren bisher jedoch nur unzureichend verstanden.
„Wir haben uns einen Pilz der Gattung Fusarium angeschaut, der die Eisbildung besonders effizient antreibt“, so Konrad Meister, Professor an der Boise State University (USA) und Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz im Arbeitskreis von Mischa Bonn.
Der Pilz ist ein weltweit bekannter Pflanzenschädling. Sporen können beispielsweise bis in die Atmosphäre steigen und dort mit speziellen eisnukleierenden Substanzen die Eisbildung ankurbeln.
Effiziente Eisbildung: Molekulare Mechanismen und Anwendungen
Das internationale Forscherteam um Meister hat herausgefunden, was genau die Eisbildung ermöglicht und wie die eismachenden Substanzen strukturiert sind. Sie konnten zeigen, dass es sich um kleine Proteine handelt, die sich außerhalb des Pilzes zu größeren Proteinaggregaten zusammenlagern können. Diese Aggregate ermöglichen dank ihrer Größe das sehr effiziente Eismachen. Dies konnte von Meister und Kolleg:innen experimentell und nicht zuletzt auch mit theoretischen Berechnungen von amerikanischen Kolleg:innen um Prof. Valeria Molinero von der University of Utah bestätigt werden.
Laut Meister findet sich der Mechanismus, aus kleineren Bausteinen größere Aggregate zu bilden, nicht nur in Pilzen, sondern auch in anderen Organismen wieder.
„Trotzdem waren wir überrascht von der kleinen Größe der Pilzproteinbausteine im Vergleich zu ihrer Effizienz“, betont Meister. „Andere bekannte und ähnlich effiziente eismachende Proteine aus anderen Organismen sind beispielsweise 25mal größer.“
Ein tieferes Verständnis der molekularen Mechanismen könnte dazu beitragen, solche effizienten Proteine auch künstlich herzustellen. Mögliche Anwendungen wären die energieeffiziente Einfrierung von Lebensmitteln, die künstliche Erzeugung von Schnee oder die biologische Wolkensaat.
Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)“ veröffentlicht.
