一种源自细菌的新型真菌“冰核蛋白”

本文报道了一类此前未被认知的真菌冰核蛋白（INpros），它们来自毛霉目中的毛霉科（Mortierellaceae）真菌，如高山被孢霉（Mortierella alpina）和小孢虫霉（Entomortierella parvispora）。与已知的细菌冰核蛋白不同，这些真菌蛋白无需附着在细胞膜上即可高效启动结冰——它们可使水在低至约−5.6°C的温度下结冰，远高于多数非生物冰核（如碘化银需−5°C以下）。研究通过基因组测序发现，这些真菌的冰核蛋白基因（InaZ同源基因）并非自身演化而来，而是通过水平基因转移从古代细菌（可能与今天的荧光假单胞菌、泛菌属等有共同祖先）获得。尽管源自细菌，真菌版本经过了关键改造：它失去了细菌蛋白特有的膜锚定结构域，却新增了6个特定位点的半胱氨酸残基，可形成二硫键作为“结构盖帽”，大幅提升蛋白在极端pH（2–12）、高温及反复冻融下的稳定性。结构预测（AlphaFold3）显示，其核心仍为典型的β-螺旋折叠（β-solenoid），含大量重复的TxT、SLT等冰结合基序，但整体更短、更紧凑。实验进一步证实：将这些基因转入酵母或大肠杆菌后，原本不结冰的微生物立刻获得强冰核活性；纯化的蛋白本身即足以引发高效结冰，无需任何细胞组分。作者还通过冰核温度谱分析与经典成核理论（CNT）建模推断，其高活性源于多个蛋白分子侧向组装成“宽而平”的冰结合表面——四聚体或五聚体比单体效率高得多。这一发现不仅拓展了我们对生命如何克服结冰动力学障碍的理解，也揭示了跨物种基因借用后功能再创新的典型范例：细菌提供了高效结冰的“原始框架”，真菌则将其改造成一种稳定、可溶、即用型的“生物冰晶开关”。这类蛋白在土壤真菌中广泛存在，可能长期被低估了其在大气云冰形成中的环境贡献，未来在精准冻存、人工影响天气等应用领域具有重要潜力。