Лекарство от необычной простуды

Том МакКиг

Когда Артур ДеВрис прибыл на станцию ​​МакМердо в 1961 году, он был новичком в Стэнфордском университете, где он записался на 13-месячный срок для изучения респираторного метаболизма эндемических нототениоидных рыб, найденных в проливе Макмердо, Антарктида. Нототениоиды - это антарктическая ледяная рыба, подотряд отряда Perciformes. Этот орден является самым многочисленным орденом позвоночных в мире и включает в себя окуня, цихлид и морского окуня. Пять семейств нототениоидных рыб преобладают в Южном океане, составляя более 90 процентов биомассы рыб региона. Они являются ключевой частью всей экосистемы, но эта экосистема не существовала бы в ее прочной форме, если бы они не разработали способ победить экстремальные холода этих полярных вод. DeVries в конечном итоге узнает, как.

Станция МакМердо находится на южной оконечности острова Росс, самой большой из трех научных установок США в Антарктике. Основанный в 1958 году, МакМердо имел все особенности любого рабочего лагеря на краю необитаемой природы, с несколькими украшениями за пределами генераторов, поддонов и хижин Quonset. Исследовательское сообщество существовало вопреки климату, а не из-за него: зарегистрированные экстремальные значения температуры составляют всего лишь минус 50 градусов по Цельсию, а среднегодовые температуры составляют минус 18 градусов по Цельсию.

Ледяная рыба у побережья Антарктиды, от Wikimedia Commons

Несмотря на условия, De Vries процветал в тесной академической атмосфере и бурной работе по ловле, хранению и анализу рыбы. Проблемы его временной работы там, однако, неожиданно привели бы его к новаторскому открытию и целой жизни полярной науки. Некоторые из рыб, которые он ловил и держал в аквариумах, умирали, а другие - нет. Его рвение решить свою проблему и его любопытство, чтобы найти ее причины, приведет к целой отрасли исследований. Как он сказал Scientia Publications,

«Во время этих экспериментов я заметил, что глубоководная нототениоидная рыба замерзнет до смерти, если в нашей охлажденной соленой воде будет присутствовать лед, в то время как пойманные на мелкой воде выживут в присутствии льда. Я решил выяснить, почему существует разница между этими видами, живущими в воде с одинаковой температурой (-1,9 ° C), для моей докторской диссертации в Стэнфорде. Я исследовал, какие соединения ответственны за их способность избегать замерзания в этой среде, в то время как рыбы в умеренных водах замерзнут до -0,8 ° C. Мое исследование завершилось открытием антифризовых гликопротеинов, соединений, ответственных за их исключительную защиту от замерзания ».

Антарктическая ледяная рыба, которую изучал DeVries, находится в особом клубе организмов, способных жить в условиях низких температур. Некоторые из этих организмов, такие как североамериканская древесная лягушка, способны восстанавливаться после замерзания, а некоторые, например ледяная рыба, выживают, избегая замерзания. В эту группу также входят разнообразные существа - от насекомых до диатомовых, грибов и бактерий, которые используют так называемые белки, связывающие лед, для выживания. Для этого они используют один из пяти основных механизмов: производство антифриза; структурирование льда, где, например, водоросль создаст более умеренный жидкий карман внутри льда; прилипание ко льду, как это делают некоторые бактерии; зарождающийся лед; и ингибирование рекристаллизации льда. Рекристаллизация - это консолидация мелких кристаллов льда в более крупные, так как они притягиваются водородными связями в каскадном эффекте.

Морской лед Макмердо Саунд, Брюс МакКинлай, Flickr cc

Ледяная рыба разработала первую стратегию создания собственного антифриза. Антифризные белки (АФП) можно определить как любые ледосвязывающие белки, которые понижают температуру замерзания гистерезиса ниже точки плавления гистерезиса, создавая тем самым «разрыв в тепловом гистерезисе». Обычно это гликопротеины альфа-спирали, также известные как антифризные гликопротеины (AFGP) или белки термического гистерезиса (THP). Термический гистерезис - это разделение температур замерзания и плавления. Рыба способна понизить точку, в которой вода внутри нее замерзает, в то время как точка, в которой она тает, остается такой же (подробнее об удивительных событиях позже). Чтобы понять, как это работает, требуется краткое обсуждение самой воды.

Вода является универсальной средой на земле, с уникальными свойствами, необходимыми для широкого круга пригодных для жизни условий и является важной частью самих живых существ. Никакого другого распространенного материала на нашей планете не существует во всех трех фазах, жидкости, твердого вещества и газа. Сильные ковалентные связи удерживают атомы кислорода и водорода в одной молекуле, но более слабые водородные связи соединяют молекулы воды друг с другом. Полярная природа молекулы с отрицательным кислородом и положительным водородом позволяет ей легко связываться с другими молекулами, создавая превосходный и универсальный растворитель. Вода обладает высокой теплоемкостью, которая может быть описана как нежелание менять температуру, несмотря на ее окружение. Это создает важное сдерживающее влияние на климат во многих масштабах. Было подсчитано, что наши океаны могут поглощать в тысячу раз больше тепла, чем наша атмосфера, без значительного изменения температуры. Например, большая часть повышенной температуры глобального изменения климата была поглощена земными океанами.

Когда вода становится холоднее, ее плотность соответствует предсказуемой тенденции материала, с каждым падением температуры она становится плотнее, до 4 градусов C. Когда вода превращается в лед, она становится светлее, менее плотной (примерно на 9%), так как атомы водорода соединяются, образуя структура кристаллической решетки. Эта характеристика позволяет льду плавать поверх его более плотной жидкой фазы, что делает возможным зимующую водную жизнь по всему земному шару, в том числе в Антарктическом океане. Расширение воды при переходе от жидкой к твердой фазе также может быть мощной разрушительной силой; в состоянии расколоть гранит.

Эта сила может быть одинаково напряженной на внутриклеточном и клеточном уровне. Расширение твердой воды внутри клеток может привести к их взрыву, а замерзание межклеточных пространств приводит к потере воды и накоплению ионов и метаболитов в виде льда. Этот водный дисбаланс вызывает поток жидкости из клеток в пространство между ними. Это может привести к токсичной концентрации ионов в клетке или значительной потере сопротивления давлению и разрушению клетки.

Целый ряд организмов в разных королевствах адаптировался к температурам, замерзающим воду: растения, дрожжи, бактерии и животные, такие как рыба и насекомые. Они используют разные уловки, но все должны жить по физическим правилам окружающей среды, особенно по характеристикам воды.

Когда соль растворяется в воде, она понижает температуру замерзания. Таким образом, морская вода обладает свойствами, немного отличающимися от пресных, поскольку растворенные соли (3,5% для типичной морской воды) понижают температуру замерзания до минус 1,9 градуса C. Это называется депрессией точки замерзания и является распространенным явлением у многих обитателей или психрофилов с холодным климатом. , Де Фриз понял, что депрессия точки замерзания, проявленная в его выживающей мелководной рыбе, не может быть объяснена только общими солями тела в сыворотке рыбы. Он разработал серию экспериментов, чтобы дифференцировать химический состав своих двух видов рыб и выделил гликопротеины, которые были ключом к его открытию. Белки прикреплялись к ледяным кристаллам в крови рыб и препятствовали их росту. Это, в сочетании с солями тела, позволило рыбе сохранять жидкую кровь при минус 2,5 градуса С.

Станция МакМердо, Брюс МакКинлей, Flickr cc

В конечном итоге он и его коллеги обнаружили, что эти гликопротеины необратимо связывались с кристаллами льда в процессе, который они назвали ингибированием адсорбции (DeVries and Raymond, 1977). Это так называемый процесс «пошагового закрепления», в котором важные физические последовательности, необходимые для замораживания, прерываются или сокращаются. В этом случае АФП связывались с небольшими зарождающимися кристаллами льда и заставляли образование льда в меньших пространствах между сайтами адсорбции, тем самым изгибая фронт роста ледяной решетки в кривую. Это создало более высокую поверхностную свободную энергию и эффективно понизило точку замерзания в явлении, названном эффектом Гиббса-Томсона.

АФП обычно представляют собой небольшие составные белки с эксцентрической нагрузкой аминокислоты треонина. Треонин имеет гидрофильную поверхность, к которой молекулы воды слабо прикрепляются. Эта адсорбция препятствует слиянию микрокристаллов в более крупные кристаллы и удерживает воду в жидком состоянии.

Похоже, что эти маленькие ледяные кристаллы остаются в рыбе на протяжении их жизни, но это все еще изучается. В то время как нет никаких доказательств того, что на рыбу негативно влияет круглогодичное присутствие кристаллов, ДеВрис считает, что у них должен быть механизм, позволяющий их уничтожить. Одно удивительное недавнее открытие было то, что присутствие AFP заставляет кристаллы сопротивляться плавлению; более высокие температуры необходимы для их плавления, а также более низкие температуры, необходимые для их образования.

Согласно DeVries, неизвестно, как именно эти белки способны распознавать твердофазные молекулы воды в этой жидкой среде и связываться с ними преимущественно. То, как они предотвращают рост, также все еще исследуется, при этом модель ингибирования адсорбции все еще открыта для обсуждения и уточнения. Тем не менее, нет никакого опровержения этого как успешной стратегии выживания. Действительно, это пример сближения, часто показатель, если не гарантия, эффективных и долгосрочных решений в природе. Две генетически различные популяции рыб, одна в Арктике (арктическая треска) и одна в Антарктике (нототениоиды), разработали эти методы.

Открытие этих антифризных белков, возможно, затронуло всю исследовательскую индустрию в их возможностях, но работают ли они так же, как их коммерческий тезка? Кажется, что они на самом деле намного лучше на порядок. Причина заключается в избирательности, которую они проявляют при прикреплении к маленьким кристаллам льда. Этиленгликоль, зеленая жидкость, обычно используемая в автомобильных радиаторах, действует благодаря эффекту массового воздействия, разрушая водородную связь химическим эквивалентом ковровой бомбардировки. Хотя это не является стойким, химическое вещество является умеренно токсичным ядом. При проглатывании он превращается в щавелевую кислоту с помощью этанол гидрогеназы. Щавелевая кислота высокотоксична, поражает центральную нервную систему, сердце, легкие и почки. Он несет ответственность за десятки тысяч отравлений животных и тысячи человеческих отравлений каждый год. Этиленгликоль был продемонстрирован как развивающий токсикант в более высоких дозах на крысах.

Лишайник Xanthoria elegans может продолжать фотосинтезировать при -24 ° С. Фото Джейсона Холлингера

Пропиленгликоль с металлическими наночастицами был разработан как более безопасная альтернатива этиленгликолю, но ему не хватает эффективности AFP. Это дешевле, однако, легко доступно и использует материал, уже используемый в пищевой промышленности и одобренный FDA.

Несмотря на десятилетия исследований механизма этих белков, в промышленности остается мало применений: белки из арктической дутой рыбы используются в мороженом для предотвращения рекристаллизации, а АФП и гормоны роста вводятся в трансгенного выращенного на фермах лосося для устойчивости к холоду и ускоренного роста. Однако именно в биомедицинской области использование этих белков обещает самые большие выгоды и проблемы.

Транспортировка и пересадка органов, сохранение человеческих тел для будущих чудес медицины (крионика) и выполнение операций - все это усилия, в которых АФП могли бы сыграть революционную роль. Отдельные клетки, такие как сперма и яйцеклетки, обычно замораживаются и хранятся, но более крупные ткани труднее сохранить. AFP были успешно использованы для сохранения сердца крысы и свиньи при температуре ниже нуля. В одном эксперименте исследователи удалили сердце крысы, сохранили его в стерильной воде и AFP при минус 1,3 градуса С в течение 24 часов, а затем пересадили нагретое (не качающее) сердце новой крысе.

Несмотря на эти ранние успехи и большие перспективы AFP, технология сохранения человеческих органов все еще сильно отстает от медицинской потребности. По оценкам Министерства здравоохранения и социальных служб США, примерно 21 пациент в день умирает в ожидании недоступного органа. Легкие остаются пригодными для использования только в течение двенадцати часов, а сердца - только четыре или пять, используя современные методы. Токсичность криопротекторов и разрушительные эффекты оттаивания являются двумя наиболее сложными проблемами. Хотя витрификация является эффективным методом быстрого замораживания органов до состояния стекла, большинство методов основано на закачке клеток, заполненных токсичными химическими веществами, и именно в оттаивании, где повреждение является наиболее серьезным. Дифференциальное потепление вызывает раскалывание и разрушение материала, подвергающегося воздействию противодействующих сил. Однако одна группа сотрудников Университета Миннесоты работает над методом использования наночастиц для мягкого и равномерного нагрева органов до температуры, при которой они живут. Магнитные наночастицы возбуждаются активностью (и нагреванием) радиоволнами в процессе, который команда называет «наноразогревом», и эта методика успешно применяется на кластерах клеток.

Другие исследовательские группы ищут в других местах еще более эффективные антифризы. Одним из них является гликолипид, найденный в морозостойком аляскинском жуке Upis ceramboides, который позволяет насекомому выдерживать температуру минус 60 градусов по Цельсию и все еще восстанавливаться. По данным компании, клеточные и тканевые системы Южной Каролины успешно применяют ее для сохранения тканей в течение нескольких дней при отрицательных температурах без ухудшения качества. Гликолипид, по-видимому, покрывает мембрану клетки, защищает ее от внешнего льда и защищает от осмотического оттока жидкости из клетки.

Будь то использование белка или гликолипида, понижение температуры замерзания или длительное замерзание, накачка себя полными криопротекторов, запечатывание или высыхание, природные организмы всех доменов стали жить с необычайной простудой. Человеческие исследователи все еще должны полностью раскрыть эти секреты и использовать их для лучшего сохранения жизни.

Первоначально опубликовано на Zygote Quarterly.