Czy udało się odkryć geny odpowiedzialne za hibernację?

Surowy krajobraz Suchych Dolin McMurdo na Antarktydzie. Fot. NSF/Josh Landis/Wikimedia

Istnieją zwierzęta, które są zdolne przeżyć całkowite zamarznięcie i bez większych trudności wybudzić się z tego stanu. Naukowcy właśnie odkryli ich supermoc – grupy genów, które im to umożliwiają.

Zasiedlają najzimniejszą i najbardziej suchą dolinę na naszej planecie, czyli Suchą Dolinę McMurdo na Antarktydzie. Nie są… piękne, ale to właśnie dzięki nim być może udać się w końcu okiełznać pomysły rodem z science fiction, jak zamarzanie i wybudzanie po latach. Zastanawiacie się może, o jakich zwierzętach mowa? Nie o niesporczaki chodzi tym razem, ale o… nicienie.

Jest sporo gatunków zwierząt, które są zdolne przetrwać w ekstremalnych warunkach środowiska. Należą do nich moje ulubione niesporczaki, wrotki czy niektóre skorupiaki. Generalnie zwierzęta chronią komórki przed niskimi temperaturami głównie dzięki obecności w ich organizmie trehalozy – cukru znanego jako krioprotektant, czyli substancja chroniąca przed wpływem niskich temperatur. Ale nowe wyniki badań pokazują coś zupełnie nowego i wysuwają na plan nowego zwierzęcego twardziela, jakim jest nicień Panagrolaimus davidi.

Naukowcy z British Antarctic Survey  i Uniwersytetu Otago na Nowej Zelandii opublikowali artykuł w czasopiśmie “Cryobiology”, w którym po raz pierwszy zbadali niezwykłe zjawisko całkowitego zamarzania u tego gatunku nicienia. Naukowcy udokumentowali tworzenie się kryształów lodu w komórkach, nieuszkadzające ich funkcji. Po rozmrożeniu nicienie były w stanie się rozmnażać. Ponadto podczas wychładzania, a następnie zamrażania ciało nicieni pozostawało niezmrożone.

Jakie składniki organizmu odpowiadają za tę superodporność?

Nicienie Panagrolaimus davidi. Fot. David Wharton/BAS

Niezbędny do wyjaśnienia tego zjawiska eksperyment przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych, hodując nicienie na szalkach w wystandaryzowanych warunkach. Naukowcy obserwowali różne etapy związane z zamarzaniem i rozmarzaniem nicieni: wychłodzenie, przechowywanie w temperaturze poniżej zera, rozmarzanie i wybudzanie. W trakcie sekwencjonowano określone odcinki RNA.

Badacze przyjrzeli się bliżej temu procesowi, identyfikując geny i enzymy odpowiedzialne za ochronę komórek nicienia przed mrozem. Było to wielkie wyzwanie, ponieważ nikt wcześniej nie starał się zajrzeć do wnętrza zamarzniętych komórek i pokazać, co odpowiada za ich ochronę. Po raz pierwszy zaobserwowano zdolność przeżycia organizmu po zamarznięciu wnętrza jego komórek. Ponad 80 proc. nicieni wybudzało się po mrożeniu i przetrzymywaniu ich w -10˚C.

We wcześniejszych badaniach w roli czynników odpowiedzialnych za ochronę organizmu w skrajnych temperaturach występowały trehaloza oraz białka szoku cieplnego oraz białka przeciwzamarzające. Okazało się, że trehaloza – cukier chroniący inne odporne na zamarzanie gatunki – nie odgrywa u nicieni kluczowej roli. Naukowcy znaleźli u nich za to geny, które prawdopodobnie odpowiadają za krioprotekcję i mogą być unikatowe dla Panagrolaimus davidi. Geny te kodują białka chroniące organizm przed wysuszeniem czy zmianami ciśnienia (białka LEA), a także białka tworzące kanały służące do transportu m.in. wody (akwaporyny) czy te związane ze strukturą błony biologicznej (neprylizyna).

Zwłaszcza udział neprylizyny w mechanizmach krioprotekcyjnych okazał się zaskakujący dla badaczy. Wyniki podobnych badań prowadzonych na niesporczakach czy wrotkach wskazywały zupełnie inne grupy substancji odpowiedzialnych za odporność bezkręgowców na ujemne temperatury. Natomiast w najnowszych eksperymentach na nicieniach neprylizyna pojawiała się zaskakująco często. Naukowcy uważają, że jest jeszcze za wcześnie, aby stwierdzić, że to właśnie ten składnik organizmu odpowiada za tak skuteczną krioprotekcję, ale niewątpliwie staje się on potencjalnym kandydatem w przyszłych badaniach. W organizmie człowieka neprylizyna odpowiada za blokowanie układu RAA odpowiedzialnego za kontrolę objętości krążącej w ustroju krwi i stężenia jonów sodowych i potasowych. Ponadto neprylizyna rozkłada substancje odpowiedzialne za hamowanie wchłaniania jonów sodu w organizmie.

Pisząc o tym odkryciu, warto także wspomnieć o miejscu, z którego pochodzą badane nicienie. Jest to legendarna dolina McMurdo na Antarktydzie, czyli miejsce o najbardziej suchym i najzimniejszym klimacie.

Suche Doliny McMurdo na Antarktydzie. Fot. Jerrod Wheeler/Wikimedia

Ze względu na krajobraz (liczne lodowce, strzeliste nunataki oraz rozległe i suche tereny pozbawione zieleni) oraz klimat (niskie temperatury, bardzo zmienne warunki pogodowe) dolina ta jest traktowana jako miejsce analogiczne do potencjalnie istniejących ekosystemów na innych planetach. Od wielu lat prowadzone są tam badania astrobiologiczne. Wydaje się oczywiste, że właśnie w takim miejscu mogą żyć superorganizmy zdolne do przetrwania najdziwniejszych warunków. Wystarczy teraz puścić wodzę fantazji i pomyśleć, czego niezwykłego możemy się jeszcze dowiedzieć  i nauczyć od nicieni żyjących w ekosystemach ekstremalnych.