Μια θεραπεία για το ασυνήθιστο κρύο

Από τον Tom McKeag

Όταν ο Arthur DeVries έφτασε στο σταθμό McMurdo το 1961, ήταν φρέσκος από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ όπου είχε εγγραφεί για 13 μήνες για να μελετήσει τον αναπνευστικό μεταβολισμό των ενδημικών ψαριών Notothenioid που βρέθηκαν στο McMurdo Sound της Ανταρκτικής. Τα Notothenioids είναι παγωτά της Ανταρκτικής, ένα υποσύνολο της τάξης των Perciformes. Αυτή η σειρά είναι η πιο πολυάριθμη σειρά σπονδυλωτών στον κόσμο και περιλαμβάνει πέρκα, κιχλίδες και λαβράκια. Πέντε οικογένειες ψαριών Notothenioid κυριαρχούν στον Νότιο Ωκεανό, αποτελώντας πάνω από το 90% της βιομάζας των ψαριών της περιοχής. Αποτελούν βασικό μέρος ενός ολόκληρου οικοσυστήματος, αλλά αυτό το οικοσύστημα δεν θα υπήρχε στην ισχυρή του μορφή εάν δεν είχαν εξελιχθεί ένας τρόπος να νικήσει το ακραίο κρύο αυτών των πολικών υδάτων. Η DeVries θα ανακαλύψει τελικά πώς.

Ο σταθμός McMurdo βρίσκεται στο νότιο άκρο του νησιού Ross, η μεγαλύτερη από τις τρεις επιστημονικές εγκαταστάσεις των ΗΠΑ στην Ανταρκτική. Ιδρύθηκε το 1958, ο McMurdo είχε όλα τα χαρακτηριστικά οποιουδήποτε στρατόπεδου εργασίας στην άκρη της πρώτης φύσης, με λίγα διακοσμητικά στοιχεία πέρα ​​από γεννήτριες, παλέτες προμήθειας και καλύβες Quonset. Η ερευνητική κοινότητα υπήρχε σε αντίθεση με το κλίμα και όχι εξαιτίας αυτού: οι καταγεγραμμένες ακραίες θερμοκρασίες είναι τόσο χαμηλές όσο μείον 50 βαθμοί Κελσίου και οι μέσες ετήσιες θερμοκρασίες βρίσκονται σε μείον 18 βαθμούς Κελσίου.

Icefish στα ανοικτά των ακτών της Ανταρκτικής, από το Wikimedia Commons

Παρά τις συνθήκες, ο De Vries ευδοκιμήθηκε στη στενή ακαδημαϊκή ατμόσφαιρα και στην σκληρή επιτόπια εργασία για τη σύλληψη, αποθήκευση και ανάλυση ψαριών. Ωστόσο, οι προκλήσεις της προσωρινής εργασίας του εκεί, θα τον οδηγούσαν απροσδόκητα σε μια πρωτοποριακή ανακάλυψη και μια ζωή πολικής επιστήμης. Μερικά από τα ψάρια που πιάνει και κρατούσε σε δεξαμενές πέθαναν, ενώ άλλα δεν ήταν. Ο ζήλος του να λύσει το πρόβλημά του και η περιέργειά του να βρει τις αιτίες του θα οδηγούσε σε έναν ολόκληρο κλάδο της έρευνας. Όπως είπε στις Εκδόσεις Scientia,

«Κατά τη διάρκεια αυτών των πειραμάτων παρατήρησα ότι ένα βαθύ νερό Notothenioid ψάρια θα παγώνει μέχρι θανάτου εάν υπήρχε πάγος στο ψυγμένο θαλασσινό νερό μας, ενώ εκείνοι που πιάστηκαν στα ρηχά νερά επέζησαν παρουσία πάγου. Αποφάσισα να ερευνήσω γιατί υπήρχε διαφορά σε αυτά τα είδη που ζούσαν σε νερό της ίδιας θερμοκρασίας (-1,9 ° C) για την ερευνητική μου διατριβή στο Stanford. Διερεύνησα ποιες ενώσεις ήταν υπεύθυνες για την ικανότητά τους να αποφεύγουν την κατάψυξη σε αυτό το περιβάλλον, ενώ τα ψάρια σε εύκρατα νερά θα παγώσουν μέχρι θανάτου στους -0,8 ° C. Η μελέτη μου κατέληξε στην ανακάλυψη των αντιψυκτικών γλυκοπρωτεϊνών, των ενώσεων που είναι υπεύθυνες για την ακραία αποφυγή τους.

Το παγωτό της Ανταρκτικής που μελετούσε ο DeVries βρίσκεται σε μια ειδική ομάδα οργανισμών με την ικανότητα να ζει σε ακραίες θερμοκρασίες. Μερικοί από αυτούς τους οργανισμούς, όπως ο Βορειοαμερικανικός Βάτραχος Ξύλου, είναι σε θέση να ανακάμψουν από το πάγωμα, και μερικοί, όπως το παγωτό, επιβιώνουν αποφεύγοντας να παγώσουν. Ένα μεγάλο εύρος πλασμάτων από έντομα έως διατόμους έως μύκητες και βακτήρια είναι επίσης σε αυτήν την ομάδα που χρησιμοποιεί τις λεγόμενες πρωτεΐνες που δεσμεύουν τον πάγο (IBP) για να επιβιώσει. Χρησιμοποιούν έναν από τους πέντε γενικούς μηχανισμούς για αυτό: παραγωγή αντιψυκτικού. δομή πάγου όπου, για παράδειγμα, μια άλγη θα δημιουργήσει μια πιο μέτρια υγρή τσέπη μέσα στον πάγο. προσκολλώντας στον πάγο, όπως κάνουν ορισμένα βακτήρια. πυρήνα πυρήνα; και αναστέλλοντας την ανακρυστάλλωση πάγου. Η ανακρυστάλλωση είναι η ενοποίηση μικρών κρυστάλλων πάγου σε μεγαλύτερους καθώς προσελκύονται από τη σύνδεση υδρογόνου σε μια επίδραση καταρράκτη.

McMurdo Sound θαλάσσιος πάγος από τον Bruce McKinlay, Flickr cc

Το icefish έχει αναπτύξει την πρώτη στρατηγική δημιουργίας του αντιψυκτικού τους. Οι αντιψυκτικές πρωτεΐνες (AFP) μπορούν να οριστούν ως οποιεσδήποτε πρωτεΐνες που δεσμεύουν τον πάγο που καταστέλλουν το σημείο πήξης υστέρησης κάτω από το σημείο τήξης της υστέρησης, δημιουργώντας έτσι ένα «κενό θερμικής υστέρησης». Συνήθως είναι γλυκοπρωτεΐνες άλφα έλικας επίσης γνωστές ως αντιψυκτικές γλυκοπρωτεΐνες (AFGP) ή πρωτεΐνες θερμικής υστέρησης (THP). Η θερμική υστέρηση είναι ο διαχωρισμός των θερμοκρασιών ψύξης και τήξης. Τα ψάρια είναι σε θέση να χαμηλώσουν το σημείο κατά το οποίο παγώνει το νερό μέσα τους, ενώ το σημείο στο οποίο λιώνει παραμένει το ίδιο (περισσότερα για τις εκπληκτικές εξελίξεις σε αυτό αργότερα). Για να κατανοήσετε πώς λειτουργεί αυτό απαιτεί μια σύντομη συζήτηση για το ίδιο το νερό.

Το νερό είναι το καθολικό μέσο στη γη, με μοναδικές ιδιότητες απαραίτητες για ένα ευρύ φάσμα ζωντανών συνθηκών και είναι ένα κρίσιμο μέρος των ίδιων των ζωντανών πραγμάτων. Κανένα άλλο κοινό υλικό δεν υπάρχει φυσικά στον πλανήτη μας και στις τρεις φάσεις, υγρό, στερεό και αέριο. Οι ισχυροί ομοιοπολικοί δεσμοί συγκρατούν άτομα οξυγόνου και υδρογόνου σε ένα μόνο μόριο, αλλά οι ασθενέστεροι δεσμοί υδρογόνου συνδέουν τα μόρια νερού μεταξύ τους. Η πολική φύση του μορίου, με αρνητικό οξυγόνο και θετικό υδρογόνο, του επιτρέπει να συνδέεται εύκολα με άλλα μόρια, δημιουργώντας έναν εξαιρετικό και καθολικό διαλύτη. Το νερό έχει υψηλή θερμική χωρητικότητα, η οποία μπορεί να περιγραφεί ως επιφυλακτικότητα για αλλαγή θερμοκρασίας παρά το περιβάλλον. Αυτό δημιουργεί μια σημαντική μετριοπαθείς επιρροή στο κλίμα σε πολλές κλίμακες. Υπολογίστηκε ότι οι ωκεανοί μας μπορούν να απορροφήσουν χίλιες φορές τη θερμότητα από την ατμόσφαιρά μας χωρίς να αλλάξουν σημαντικά τη θερμοκρασία. Το μεγαλύτερο μέρος της αυξημένης θερμότητας της παγκόσμιας κλιματικής αλλαγής, για παράδειγμα, απορροφήθηκε από τους ωκεανούς της γης.

Όταν το νερό γίνεται πιο κρύο, η πυκνότητά του ακολουθεί μια προβλέψιμη τάση υλικού, αυξάνεται πυκνότερα με κάθε πτώση της θερμοκρασίας, έως 4 βαθμούς C. Όταν το νερό μετατρέπεται σε πάγο γίνεται ελαφρύτερο, λιγότερο πυκνό (περίπου 9%) καθώς τα άτομα υδρογόνου συνδέονται για να σχηματίσουν κρυσταλλική δομή πλέγματος. Αυτό το χαρακτηριστικό επιτρέπει στον πάγο να επιπλέει πάνω από την πυκνότερη υγρή φάση του, καθιστώντας δυνατή την υπερανάπτυξη της υδρόβιας ζωής σε όλο τον κόσμο, συμπεριλαμβανομένου του Ανταρκτικού Ωκεανού. Η διαστολή του νερού στην αλλαγή από υγρό σε στερεά φάση μπορεί επίσης να είναι μια ισχυρή διαταραχή. ικανός να διαχωρίσει τον γρανίτη.

Αυτή η δύναμη μπορεί να είναι εξίσου τεντωμένη σε ενδοκυτταρικό και κυτταρικό επίπεδο. Η επέκταση του στερεού νερού στο εσωτερικό των κυττάρων μπορεί να τα προκαλέσει διάρρηξη και η κατάψυξη των διακυτταρικών χώρων προκαλεί απώλεια νερού και συσσώρευση ιόντων και μεταβολιτών καθώς σχηματίζονται πάγο. Αυτή η ανισορροπία νερού προκαλεί μια ροή υγρού από τα κύτταρα και στους χώρους μεταξύ τους. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε τοξική συγκέντρωση ιόντων εντός του κυττάρου ή σημαντική απώλεια αντίστασης στην πίεση και κατάρρευση των κυττάρων.

Μια σειρά οργανισμών στα βασίλεια έχει προσαρμοστεί σε θερμοκρασίες που παγώνουν το νερό: φυτά, ζύμες, βακτήρια και ζώα όπως τα ψάρια και τα έντομα. Χρησιμοποιούν διαφορετικά στρώματα, αλλά όλοι πρέπει να ζουν σύμφωνα με τους φυσικούς κανόνες του περιβάλλοντός τους, ειδικά τα χαρακτηριστικά του νερού.

Όταν το αλάτι διαλύεται σε νερό, μειώνει το σημείο πήξης του. Το θαλασσινό νερό, επομένως, έχει ελαφρώς διαφορετικές ιδιότητες από το φρέσκο ​​καθώς τα διαλυμένα άλατα (3,5% για το τυπικό θαλασσινό νερό) χαμηλώνουν το σημείο πήξης σε μείον 1,9 βαθμούς C. Αυτό ονομάζεται κατάθλιψη σημείου πήξης και είναι ένα κοινό εξελιγμένο στρώμα για πολλούς κατοίκους ψυχρού κλίματος . Ο Ντε Βρυς συνειδητοποίησε ότι η κατάθλιψη του σημείου πήξης που επιδείχθηκε στα ψάρια ρηχά νερά του δεν μπορούσε να εξηγηθεί αποκλειστικά από κοινά άλατα σώματος στον ορό του ψαριού. Επινόησε μια σειρά πειραμάτων για να διαφοροποιήσει τη χημική σύνθεση των δύο τύπων ψαριών του και απομόνωσε τις γλυκοπρωτεΐνες που ήταν καθοριστικές για την ανακάλυψή του. Οι πρωτεΐνες προσκολλήθηκαν σε κρυστάλλους πάγου μέσα στο αίμα των ψαριών και τους εμπόδισαν να αναπτυχθούν. Αυτό, σε συνδυασμό με τα άλατα του σώματος, επέτρεψε στα ψάρια να διατηρήσουν υγρό αίμα σε μείον 2,5 βαθμούς C.

Σταθμός McMurdo από τον Bruce McKinlay, Flickr cc

Αυτό που τελικά ανακάλυψαν και οι συνάδελφοί του ήταν ότι αυτές οι γλυκοπρωτεΐνες δεσμεύονταν με κρυστάλλους πάγου ανεπανόρθωτα σε μια διαδικασία που ονόμαζαν αναστολή προσρόφησης (DeVries and Raymond, 1977). Πρόκειται για τη λεγόμενη διαδικασία «καρφιτσώματος βημάτων» στην οποία οι κρίσιμες φυσικές ακολουθίες που απαιτούνται για το πάγωμα διακόπτονται ή περιορίζονται. Σε αυτήν την περίπτωση, τα AFP δεσμεύονταν σε μικρούς κρυστάλλους πάγου και αναγκάζονταν να σχηματίσουν πάγο σε μικρότερους χώρους μεταξύ των θέσεων προσρόφησης κάμπτοντας έτσι την ανάπτυξη του πλέγματος πάγου σε μια καμπύλη. Αυτό δημιούργησε υψηλότερη ενέργεια χωρίς επιφάνεια και μείωσε αποτελεσματικά το σημείο πήξης σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται φαινόμενο Gibbs-Thomson.

Τα AFP είναι συνήθως μικρές σύνθετες πρωτεΐνες με εκκεντρικό φορτίο του αμινοξέος θρεονίνης. Η θρεονίνη έχει υδρόφιλη επιφάνεια στην οποία τα μόρια νερού προσκολλώνται ασθενώς. Αυτή η προσρόφηση εμποδίζει τους μικροκρυστάλλους να συγκολληθούν σε μεγαλύτερους κρυστάλλους και διατηρεί το νερό σε υγρή κατάσταση.

Φαίνεται ότι αυτοί οι μικροί κρύσταλλοι πάγου παραμένουν στα ψάρια για τη διάρκεια ζωής τους, αλλά αυτό εξακολουθεί να μελετάται. Αν και δεν υπάρχουν ενδείξεις ότι τα ψάρια επηρεάζονται δυσμενώς από την παρουσία των κρυστάλλων καθ 'όλη τη διάρκεια του έτους, η DeVries πιστεύει ότι πρέπει να έχουν έναν μηχανισμό για την ακύρωσή τους. Μια εκπληκτική πρόσφατη ανακάλυψη ήταν ότι η παρουσία των AFP κάνει τους κρυστάλλους να αντιστέκονται στο λιώσιμο. απαιτούνται υψηλότερες θερμοκρασίες για την τήξη τους, καθώς και χαμηλότερες θερμοκρασίες που απαιτούνται για τη διαμόρφωσή τους.

Αυτό που δεν είναι γνωστό, σύμφωνα με τον DeVries, είναι ακριβώς πώς αυτές οι πρωτεΐνες είναι σε θέση να αναγνωρίσουν μόρια νερού στερεάς φάσης σε αυτό το υγρό περιβάλλον και κατά προτίμηση να συνδέονται με αυτά. Ο τρόπος με τον οποίο αποτρέπουν την ανάπτυξη εξακολουθεί να διερευνάται, με το μοντέλο αναστολής της προσρόφησης να είναι ανοιχτό σε συζήτηση και βελτίωση. Ωστόσο, δεν υπάρχει αμφισβήτηση ως επιτυχημένη στρατηγική επιβίωσης. Πράγματι, είναι ένα παράδειγμα σύγκλισης, συχνά ένας δείκτης, αν όχι εγγύηση, αποτελεσματικών και ανθεκτικών λύσεων στη φύση. Δύο γενετικά διακριτοί πληθυσμοί ψαριών, ένας στην Αρκτική (ο Αρκτικός γάδος) και ένας στην Ανταρκτική (Notothenioids), έχουν αναπτύξει αυτές τις τεχνικές.

Η ανακάλυψη αυτών των αντιψυκτικών πρωτεϊνών μπορεί να άγγιξε μια ολόκληρη ερευνητική βιομηχανία στις ικανότητές τους, αλλά αποδίδουν τόσο καλά όσο και τα εμπορικά ονόματά τους; Φαίνεται ότι το κάνουν, στην πραγματικότητα, πολύ καλύτερα από μια τάξη μεγέθους. Ο λόγος είναι η επιλεκτικότητα που επιδεικνύουν όταν προσκολλώνται στους μικρούς κρυστάλλους πάγου. Η αιθυλενογλυκόλη, το πράσινο υγρό που χρησιμοποιείται συνήθως σε θερμαντικά σώματα αυτοκινήτων, λειτουργεί με αποτέλεσμα μαζικής δράσης, διαταράσσοντας τη σύνδεση υδρογόνου από το χημικό ισοδύναμο του βομβαρδισμού σε χαλιά. Αν και δεν είναι ανθεκτικό, η χημική ουσία είναι ένα μέτρια τοξικό δηλητήριο. Όταν καταπίνεται μετατρέπεται σε οξαλικό οξύ με υδρογονάση αιθανόλης. Το οξαλικό οξύ είναι πολύ τοξικό, επηρεάζοντας το κεντρικό νευρικό σύστημα, την καρδιά, τους πνεύμονες και τα νεφρά. Είναι υπεύθυνη για δεκάδες χιλιάδες δηλητηριάσεις σε ζώα και χιλιάδες ανθρώπινες δηλητηριάσεις κάθε χρόνο. Η αιθυλενογλυκόλη έχει αποδειχθεί ως τοξικό για την ανάπτυξη σε υψηλότερες δόσεις σε αρουραίους.

Η λειχήνα, η Xanthoria elegans μπορεί να συνεχίσει τη φωτοσύνθεση στους -24 ° c. Φωτογραφία από τον Jason Hollinger

Η προπυλενογλυκόλη με μεταλλικά νανοσωματίδια έχει αναπτυχθεί ως ασφαλέστερη εναλλακτική λύση έναντι της αιθυλενογλυκόλης, αλλά στερείται της αποτελεσματικότητας των AFP. Είναι φθηνότερο, ωστόσο, είναι άμεσα διαθέσιμο και χρησιμοποιεί ένα υλικό που χρησιμοποιείται ήδη στη βιομηχανία τροφίμων και έχει εγκριθεί από το FDA.

Παρά τις δεκαετίες έρευνας σχετικά με τον μηχανισμό αυτών των πρωτεϊνών, οι βιομηχανικές εφαρμογές παραμένουν λίγες, με πρωτεΐνες από τα ψάρια του Αρκτικού που χρησιμοποιούνται στο παγωτό για την πρόληψη της ανακρυστάλλωσης και οι AFP και οι αυξητικές ορμόνες εισήχθησαν στον διαγονιδιακό σολομό εκτροφής για σκληρότητα κρύου καιρού και αυξημένη ανάπτυξη. Βρίσκεται στον βιοϊατρικό τομέα, ωστόσο, όπου η χρήση αυτών των πρωτεϊνών υπόσχεται τις περισσότερες ανταμοιβές και προκλήσεις.

Η μεταφορά και η μεταμόσχευση οργάνων, η διατήρηση ανθρώπινων σωμάτων για τα μελλοντικά θαύματα της ιατρικής (κρυονική) και η χειρουργική επέμβαση είναι όλες προσπάθειες όπου τα AFP θα μπορούσαν να διαδραματίσουν επαναστατικό ρόλο. Τα μεμονωμένα κύτταρα, όπως το σπέρμα και τα αυγά, καταψύχονται και αποθηκεύονται συνήθως, αλλά είναι πιο δύσκολο να διατηρηθεί ο μεγαλύτερος ιστός. Τα AFP έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για τη διατήρηση καρδιών αρουραίων και χοίρων σε χαμηλότερες θερμοκρασίες κατάψυξης. Σε ένα πείραμα, οι ερευνητές αφαίρεσαν μια καρδιά αρουραίου, τη συντήρησαν σε αποστειρωμένο νερό και AFP στους μείον 1,3 βαθμούς C για 24 ώρες και στη συνέχεια μεταμόσχευσαν την προθερμασμένη (χωρίς άντληση) καρδιά σε νέο αρουραίο.

Παρά τις πρώτες αυτές επιτυχίες και τη μεγάλη υπόσχεση των AFP, η τεχνολογία διατήρησης των ανθρώπινων οργάνων εξακολουθεί να υστερεί πολύ από την ιατρική ζήτηση. Το Υπουργείο Υγείας και Ανθρωπίνων Υπηρεσιών των ΗΠΑ εκτιμά ότι περίπου 21 ασθενείς την ημέρα πεθαίνουν περιμένοντας ένα όργανο που δεν είναι διαθέσιμο. Οι πνεύμονες παραμένουν χρησιμοποιήσιμοι μόνο για δώδεκα ώρες και οι καρδιές μόνο τέσσερις ή πέντε, χρησιμοποιώντας τις τρέχουσες τεχνικές. Η τοξικότητα των κρυοπροστατευτικών και οι διαταραχές της απόψυξης είναι δύο από τα πιο δύσκολα προβλήματα. Ενώ η υαλοποίηση είναι μια αποτελεσματική τεχνική γρήγορης κατάψυξης οργάνων σε γυάλινη κατάσταση, οι περισσότερες τεχνικές βασίζονται στην άντληση κυττάρων γεμάτων τοξικών χημικών ουσιών και είναι στην απόψυξη όπου η βλάβη είναι πιο σοβαρή. Η διαφορική θέρμανση προκαλεί διάσπαση και θραύση υλικού που υπόκειται σε αντίθετες δυνάμεις. Μια ομάδα του Πανεπιστημίου της Μινεσότα, ωστόσο, εργάζεται σε μια μέθοδο χρήσης νανοσωματιδίων για την απαλή και ομοιόμορφη θέρμανση των οργάνων σε θερμοκρασίες ζωής. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια είναι ενθουσιασμένα για τη δραστηριότητα (και τη θερμότητα) από τα ραδιοκύματα σε μια διαδικασία που η ομάδα καλεί «νανοθέρμανση» και η τεχνική έχει χρησιμοποιηθεί επιτυχώς σε συστάδες κυττάρων.

Άλλες ερευνητικές ομάδες αναζητούν αλλού στη φύση ακόμα πιο αποτελεσματικές αντιψυκτικές ενώσεις. Το ένα είναι ένα γλυκολιπίδιο που βρίσκεται σε έναν ανθεκτικό στην κατάψυξη σκαθάρι της Αλάσκας, το Upis ceramboides που επιτρέπει στο έντομο να αντέξει σε θερμοκρασίες μείον 60 βαθμούς C και να ανακάμψει. Τα συστήματα κυττάρων και ιστών της Νότιας Καρολίνας το χρησιμοποιούν με επιτυχία στη διατήρηση ιστών για ημέρες σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν χωρίς επιδείνωση, σύμφωνα με την εταιρεία. Το γλυκολιπίδιο φαίνεται να επικαλύπτει τη μεμβράνη του κυττάρου, να το προστατεύει έναντι εξωτερικού πάγου και να το σφραγίζει έναντι της οσμωτικής έλξης υγρού από το κύτταρο.

Είτε χρησιμοποιείτε μια πρωτεΐνη είτε ένα γλυκολιπίδιο, μειώνοντας τις θερμοκρασίες κατάψυξης ή ανθεκτικά να παγώσετε, αντλώντας τον εαυτό τους γεμάτο από κρυοπροστατευτικά, σφραγίζοντας ή στεγνώσουν, οι οργανισμοί της φύσης όλων των τομέων ζουν με το ασυνήθιστο κρύο. Εξαρτάται από τους ερευνητές του ανθρώπου να ξεκλειδώσουν πλήρως αυτά τα μυστικά και να τα χρησιμοποιήσουν για την καλύτερη διατήρηση της ζωής.

Αρχικά δημοσιεύθηκε στο Zygote Quarterly.