Na zdjęciu: Dissostichus mawsoni - jeden z największych przedstawicieli nototenii, może ważyć nawet 90 kilogramów (fot. Cheng Cheng i Paul Cziko).
W jaki sposób ryby antarktyczne nie tylko potrafią egzystować, ale także spokojnie żyć w temperaturach bliskich zamarzaniu wody? Zaciekawi naukowcy od wielu lat szukają odpowiedzi na to trudne pytanie - takie „niezamarzanie” byłoby przydatne dla ludzkości. Teraz amerykańscy naukowcy postanowili przyjrzeć się korzeniu, a mianowicie zbadać funkcje i geny biologicznego środka przeciw zamarzaniu. Nowa praca doprowadziła do cennego odkrycia
Naukowcy z University of Illinois podjęli się zbadania genomu antarktycznego antara (Dissostichus mawsoni), aby dowiedzieć się, co decyduje o jego fantastycznej wytrzymałości.
Ryby z podrzędu Notothenioidei zamieszkują lodowate wody Oceanu Południowego i stanowią prawie 90% biomasy ryb w tym regionie. Z tego powodu genetycy wybrali je jako obiekty testowe. Temperatura tutejszych wód jest taka, że całe ciało podwodnych mieszkańców powinno było zamienić się w lód. Jednak tak się nie dzieje. Czemu?
Dokładne badanie niezwykłych zdolności Nototeńczyków rozpoczęło się zasadniczo w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku. W latach sześćdziesiątych profesor Arthur DeVries z University of Illinois po raz pierwszy wyizolował i opisał „białka zapobiegające zamarzaniu”, które wiążą kryształki lodu we krwi ryb, zapobiegając jej zamarzaniu. Organizm mieszkańców głębin sam je wytwarza.
W podrzędu Notothenioidei jest osiem rodzin, pięć z nich żyje na Antarktydzie, żyjąc spokojnie w niskich temperaturach (-2–4 ° C) i wysokiej zawartości tlenu (który lepiej rozpuszcza się w zimnej wodzie i przekształca w wysoce reaktywne formy szkodliwe dla tkanek organizmu).
Grupa genetyków, której przewodziła żona Devrisa, Chi-Hing „Christina” Cheng, postanowiła ustalić genetyczne podstawy ekstremalnej wytrzymałości.
„Ta praca była pierwszym pełnowymiarowym badaniem wszystkich funkcji biologicznych ryb żyjących w niewiarygodnie zimnej wodzie przez całe życie, od urodzenia do śmierci” - mówi Cheng.
Na początek naukowcy objęli ścisłą kontrolę charakterystycznego przedstawiciela gatunku nonotenium - Dissostichus mawsoni. Christina i jej koledzy chcieli dowiedzieć się, które geny są najczęściej wyrażane u antara arktycznego. W tym celu pobrali cztery próbki tkanek: z mózgu, jajników, wątroby i nerek (głównego organu krwiotwórczego ryb)
Film promocyjny:
Uwaga, dwa lata temu naukowcy odkryli, że wątroba prawie nie wytwarza białek niezbędnych do adaptacji. Żołądek i zewnątrzwydzielnicza trzustka działają znacznie bardziej dla dobra ryb.
Początkowo genetycy zdecydowali, że ryby antarktyczne będą miały wysoce wydajną ekspresję wszystkich genów, które umożliwią im przetrwanie w niskich temperaturach i wysokim poziomie tlenu. Chociaż ta opcja była również rozważana, gdy określone tkanki wytwarzają duże ilości niektórych białek.
„Odkryliśmy, że w zdecydowanej większości przypadków działa określona grupa genów” - mówi Cheng. „Każda tkanka wyraża wszystkie możliwe geny, ale ta bardzo mała grupa genów cytoprotekcyjnych jest wyrażana w dużych ilościach we wszystkich tkankach”.
Następnie naukowcy porównali ekspresję genów D. mawsoni i ryb z nią niezwiązanych, żyjących w cieplejszych wodach Oceanu Światowego i odkryli, że większość genów potrzebnych rybom antarktycznym prawie nie występuje u innych gatunków.
Wśród sekwencji odpowiedzialnych za produkcję niektórych białek w dużych ilościach (genów o podwyższonej ekspresji) znaleziono wiele genów kodujących białka odpowiedzialne za odpowiedź organizmu na negatywne wpływy środowiska. Naukowcy policzyli aż 177 rodzin.
W szczególności odkryto szereg białek opiekuńczych (białek, których główną funkcją jest przywrócenie prawidłowej trzeciorzędowej struktury uszkodzonych białek), a zwłaszcza „białka szoku cieplnego”, które chronią komórki przed ekstremalnymi temperaturami. Obecne były również ubikwityny, białka, które wspierają zdrowie komórek i znakują inne białka przed degradacją.
Ponadto w genomie antarktycznego antara białka te występują od 3 do 300 razy częściej niż w jej ciepłowodnych „odpowiednikach”, co również zwiększa odporność organizmu ryb na ekstremalne warunki.
W tej chwili naukowcy badają wpływ zmiany klimatu (wzrost temperatury wody) na gatunki ryb antarktycznych. Muszą dowiedzieć się, czy D. mawsoni potrafi przystosować się do nowych warunków. W końcu, jeśli antarktyczny antarkt wymarły, ucierpią wszystkie łańcuchy pokarmowe Oceanu Południowego.
Więcej o badaniu przeczytasz w komunikacie prasowym uniwersytetu, w artykule autorów odkrycia opublikowanym w PNAS. Uniwersytet Illinois również przygotował ten pokaz slajdów w celach informacyjnych.
Jest oczywiście za wcześnie, aby mówić o praktycznym zastosowaniu uzyskanych danych dla dobra ludzi. Te badania są bardziej fundamentalne niż stosowane. Jednak czy naukowcy po latach, przy pomocy nowych odkryć, będą w stanie stworzyć jakiś specjalny płyn niezamarzający do mechanizmów i produktów, czy (jeśli naprawdę o tym marzysz), poprawić zdolność przetrwania w niskich temperaturach samego człowieka - nikt nie wie.