Ako nezamrznúť

Mimoriadne otužilé ryby polárnych morí si vyvinuli vskutku sofistikovaný spôsob prežitia v extrémnych klimatických podmienkach. Sú totiž schopné produkovať špeciálne nemrznúce bielkoviny (glykoproteíny), vďaka ktorým zostáva ich krv v tekutom stave aj napriek treskúcemu mrazu. 

Tieto unikátne molekuly sa biosyntetizujú v ich žalúdku a pankrease, odkiaľ sa krvným obehom dostávajú do celého tela a chránia tak vnútorné orgány rýb pred mechanickým poškodením. Ak by totiž voda, ktorá sa v ich bunkách prirodzene nachádza, zamrzla, vzniknutý ľad naberie na objeme a následne by organizmus doslova roztrhlo. Podobne ako v zime zaručene praskne chladič auta, keď do neho namiesto nemrznúcej zmesi nalejeme obyčajnú destilovanú vodu.

Rybie glykoproteíny (molekuly zložené z aminokyselín a cukrov) sú však chemicky odlišné od technických kvapalín, hoci fungujú na podobnom princípe. Zatiaľ čo motoristické chladiace zmesi obsahujú alkohol (etylénglykol), ktorý znižuje teplotu tuhnutia vody, nemrznúce prírodné bielkoviny bránia rastu ľadových kryštálikov. 

Ako to robia? Prostredníctvom svojho špeciálneho bielkovinového reťazca, v ktorom sa často a pravidelne opakuje rovnaká trojkombinácia aminokyselín (treonín-alanín/prolín-alanín). Zároveň má každá molekula treonínu na sebe naviazané rôzne cukry a tie, ako vieme, dokážu výborne priťahovať molekuly vody. Čiže v momente, keď sa v bunkách morských otužilcov začínajú vytvárať malé kryštáliky ľadu,  glykoproteíny sa doslova „prilepia“ na ich povrch. Dochádza tak nielen k jeho zaobleniu a zmene tvaru, ale súčasne sa zabráni aj prístupu ďalších molekúl vody k povrchu. To má za následok úplné zastavenie kryštalizácie ľadu. A keďže malé kryštáliky už nemôžu ďalej rásť, hrozba mechanického poškodenia tkanív väčšími kúskami ľadu je zažehnaná. 

Navyše, nemrznúce bielkoviny okrem zastavenia rastu ľadových kryštálov spôsobujú aj preorganizovanie chemických väzieb medzi jednotlivými molekulami vody. Ich pôvodne chaotický pohyb sa tak stáva oveľa usporiadanejším, ako keď tanečník náhle prepne z bláznivého diskotanca do elegantného valčíka. Efekt je to dlhodobý a prejavuje sa aj na väčšie vzdialenosti, čím významne prispieva k potlačeniu nežiaduceho mrznutia vody v živých organizmoch. 

Zaujímavé pritom je, že opísaný proces prebieha oveľa lepšie pri bode mrazu než pri izbovej teplote. Čo je však podstatné a na celej veci asi najkrajšie, nemrznúce prírodné molekuly sú netoxické  a spoľahlivo fungujú aj pri 500-krát nižšej koncentrácii, než ľuďmi dodnes bežne používaný jedovatý etylénglykol.

Existujú však aj otužilejšie živočíchy ako sú antarktické ryby. Zatiaľ, čo tie vydržia v mori teploty tesne pod bodom mrazu, niektoré druhy hmyzu musia na súši čeliť treskúcej zime aj mínus tridsať stupňov. Napríklad severoamerický obaľovač (Choristoneura) pravidelne zažíva kruté mrazy v kanadských lesoch, no napriek tomu sa mu tam výborne darí a na tamojších ihličnatých porastoch dokáže napáchať priam spektakulárne škody. Vďačíme za to jeho nemrznúcim glykoproteínom, ktoré sú asi 30-krát účinnejšie než tie „rybacie“. 

Podobné schopnosti prežiť extrémny chlad má aj kanadská snežná blcha (Hypogastrura). V jej prípade sú nemrznúce glykoproteíny bohaté na inú aminokyselinu, než ako u rýb. Ide konkrétne o glycín a komplexná bielkovina s takým vysokým obsahom glycínu nebola doposiaľ známa. Chemici ju už laboratórne pripravili a ukázalo sa, že syntetická verzia blšej bielkoviny má rovnaké nemrznúce vlastnosti ako identický glykoproteín získaný z prírodného zdroja. Čo je skvelá správa, pretože molekuly s takýmito unikátnymi vlastnosťami sú mimoriadne cenné z hľadiska ich potenciálneho humánneho využitia. Na to je však potrebné mať ich spoľahlivý zdroj s dostatočnou produkčnou kapacitou.

Nečudo teda, že sa intenzívne hľadajú a skúmajú možnosti vhodného spôsobu získavania týchto užitočných zlúčenín. Dnes už existujú firmy, ktoré izolujú nemrznúce glykoproteíny z ich prírodných zdrojov (najčastejšie antarktických rýb) a ponúkajú vo forme tuhých práškov na rôzne komerčné účely. Napríklad na výrobu lahodnej krémovej zmrzliny. 

Na prvý pohľad to môže vyzerať ako banalita, veď predsa vyrobiť zmrzlinu dokáže každý. Hocijakú možno áno, lenže vyrobiť naozaj jemnú krémovú zmrzlinu je hotové umenie. To si však už vyžaduje buď značné „chladiace“ skúsenosti, alebo – nemrznúce glykoproteíny. Náš jazyk totiž veľmi citlivo vníma textúru pokrmu, a to na základe rozoznávania veľkostí jeho častíc. Čím sú menšie, tým „jemnejší“ je náš z neho dojem, pričom však od istej hranice už ľudský jazyk nedokáže veľkosť čiastočiek identifikovať. A práve to je tá správna textúra zmrzliny, ktorú mozog interpretuje ako krémovú.  

Nečudo teda, že nevhodná veľkosť kryštálikov ľadu v obľúbenej lahôdke dokáže úplne pokaziť kulinárny zážitok. Nuž, a keďže zmrzlinový biznis len v USA dosahuje objem zhruba 5 miliárd dolárov (!), pochopiteľnou snahou výrobcov je dosiahnuť čo najviac malých a čo najmenej veľkých ľadových kryštálikov vo svojich sladkých produktoch. Rovnaký koncept sa však využíva aj pri hĺbkovom mrazení surových potravín, ktoré potom nielenže dlhšie vydržia, ale po opätovnom rozmrazení si navyše zachovávajú svoju pôvodnú štruktúru.

Nielen jedlom je však človek živý. Transplantácie orgánov sú niekedy poslednou možnosťou, ako zachrániť ľudský život. Vždy sú to však preteky s časom, pretože darované srdce, pečeň či obličky majú len veľmi obmedzenú životnosť a musia byť voperované pacientovi čo najskôr, ak má byť transplantácia úspešná. Pre  zachovanie „čerstvosti“ počas ich nevyhnutnej prepravy sa transplantované orgány musia bezpodmienečne chladiť. 

Nesmú však za žiadnych okolností zmrznúť, pretože vzniknuté ľadové kryštály by mechanicky poškodili bunky, tie by sa následne rozpadli a orgán by sa tým úplne znehodnotil. A práve tu môžu pomôcť nemrznúce glykoproteíny. Pokiaľ sa darované orgány nimi ošetria, možno ich schladiť na nižšiu teplotu bez toho, aby prišlo k ich nevratnému poškodeniu. Zároveň však vydržia dlhšie čerstvé, čím sa významne predlžuje kritický čas do okamihu samotnej transplantácie. Pacientom sa tak podstatne zvyšuje šanca na život zachraňujúcu operáciu. 

Nuž a od spoľahlivých transplantácií je len krôčik ku kryomedicíne budúcnosti. Skúsme si na chvíľu predstaviť, že sa ľudské tkanivá alebo orgány napustia prírodnými glykoproteínmi a následne zmrazia. Takto zakonzervované by mohli vydržať poriadne dlhý čas. Trebárs dovtedy, kým nebudú zvládnuté nové medicínske postupy, ktoré by umožňovali akokoľvek poškodené ľudské telo fyzicky „opraviť“. Potom už len stačí potrebné „biosúčiastky“ bez poškodenia rozmraziť, použiť,  a opäť tak uviesť organizmus do prevádzkyschopného stavu. 

Znie to ako absurdné sci-fi? Asi áno, ale tak isto zneli pred sto rokmi aj orgánové transplantácie. A dnes už rutinne zachraňujú ľudské životy.