Ravi ebatavalise külma korral

Autor: Tom McKeag

Kui Arthur DeVries 1961. aastal McMurdo jaama jõudis, oli ta värske Stanfordi ülikoolist, kus ta oli registreerunud 13-kuuliseks streigiks Antarktikas McMurdo Soundist leitud endeemsete notothenioidsete kalade hingamisteede ainevahetuse uurimiseks. Notothenioidid on Antarktika jääkalad, Perciformes'i klassi alamrubriik. See järjekord on kõige arvukam selgroogsete järjekord maailmas ja hõlmab ahvenat, tsichliide ja meriahvenaid. Ookeani lõunaosas domineerib viis Notothenioid-kalade perekonda, hõlmates üle 90 protsendi piirkonna kalade biomassist. Need on kogu ökosüsteemi võtmeosa, kuid seda tugevat vormi ei eksisteeriks, kui nad poleks välja töötanud viisi, kuidas ületada nende polaaralade äärmuslik külm. DeVries saaks lõpuks teada, kuidas.

McMurdo jaam asub Rossi saare lõunatipus, mis on suurim kolmest USA teaduseinstallatsioonist Antarktikas. 1958. aastal asutatud McMurdo omas kõiki toore looduse serval asuvate töölaagrite funktsioone, koos generaatorite, tarnealuste ja Quonset hüttidega oli vaid vähe kaunistusi. Sealne teadusringkond eksisteeris pigem kliima trotsimise asemel kui selle tõttu: registreeritud äärmuslikud temperatuurid on miinus 50 kraadi ja aasta keskmised temperatuurid on miinus 18 kraadi.

Jääkala Antarktika ranniku lähedal, kirjutas Wikimedia Commons

Tingimustele vaatamata arenes De Vries tihedas akadeemilises õhkkonnas ning karmides välitöödes kala püüdmisel, varumisel ja analüüsimisel. Ajutise töökoha väljakutsed seal viiksid teda ootamatult murrangulise avastuseni ja elu lõpuni polaarteaduste juurde. Osa kaladest, mida ta püüdis ja mahutites hoidis, suri, teised mitte. Tema innukus oma probleemi lahendada ja uudishimu leida selle põhjused viiksid terve haru uuringuni. Nagu ta ütles Scientia Publications,

“Nende katsete ajal märkasin, et sügavvee Notothenioid-kala külmub surnuks, kui meie jahutatud soolases vees leidub jääd, samas kui madalast veest püütud isikud jäid ellu. Stanfordi doktoritöö uurimiseks otsustasin uurida, miks neil liikidel oli erinev temperatuur sama temperatuuriga (-1,9 ° C) vees. Uurisin, millised ühendid vastutavad nende võime eest selles keskkonnas jäätumist vältida, kui parasvöötme kalad külmuvad temperatuuril -0,8 ° C surnuks. Minu uuring kulmineerus külmumisvastaste glükoproteiinide - ühendite, mis vastutavad nende äärmise külmumise vältimise eest - avastamisega. ”

Antarktika jääkala, mida DeVries õppis, asuvad spetsiaalses organismide klubis, millel on võime elada äärmustes madalatel temperatuuridel. Mõned neist organismidest, näiteks Põhja-Ameerika puukonn, suudavad külmumisest taastuda ja mõned, näiteks jääkala, jäävad ellu, vältides külmumist. Selles rühmas on ka suur hulk olendeid putukatest diatomide ja seente ning bakteriteni, kes kasutavad ellujäämiseks nn jääga seonduvaid valke (IBP). Nad kasutavad selleks ühte viiest üldisest mehhanismist: antifriisi tootmine; jää struktureerimine, kus näiteks vetikad loovad jää sisse mõõdukama vedeliku tasku; jääga kleepumine, nagu seda teevad teatud bakterid; tuuma moodustav jää; ja jää ümberkristallimise takistamine. Ümberkristallimine on väikeste jääkristallide liitmine suuremateks, kuna neid köidab vesiniksidestus kaskaadiefektis.

McMurdo Sound merejää autor: Bruce McKinlay, Flickr cc

Jääkaladel on välja töötatud esimene strateegia oma antifriisi loomiseks. Külmumisvastaseid valke (AFP) võib määratleda kui mis tahes jääga seonduvaid valke, mis suruvad hüstereesi külmumistemperatuuri alla hüstereesi sulamistemperatuuri, luues sellega termilise hüstereesi lõhe. Need on tavaliselt alfa-heeliksglükoproteiinid, mida tuntakse ka külmumisvastaste glükoproteiinide (AFGP) või termilise hüstereesiproteiinide (THP) all. Termiline hüsterees on külmumis- ja sulamistemperatuuri eraldamine. Kalad suudavad madalama punkti, kus nende sees olev vesi külmub, samas kui punkt, kus ta sulab, jääb samaks (rohkem selle kohta hiljem tehtud üllatavate arengute kohta). Selle toimimise mõistmiseks on vaja lühikest arutelu vee enda üle.

Vesi on universaalne keskkond maakeral, millel on ainulaadsed omadused, mis on olulised mitmesuguste elatavate tingimuste jaoks, ning see on kriitiline osa elusolenditest. Meie planeedil pole kõigis kolmes faasis, vedelas, tahkes ja gaasis, ühtegi muud tavalist materjali. Tugevad kovalentsed sidemed hoiavad hapniku ja vesiniku aatomeid koos ühes molekulis, kuid nõrgemad vesiniksidemed ühendavad veemolekule üksteisega. Molekuli polaarsus, koos hapniku negatiivse ja vesiniku positiivsusega, võimaldab sellel kergesti seostuda teiste molekulidega, saades suurepärase ja universaalse lahusti. Vesi on suure soojusmahtuvusega, mida võib kirjeldada temperatuuride muutumise pidurdamisena vaatamata ümbrusele. See loob kliimas olulist mõõdukat mõju mitmel skaalal. Arvatakse, et meie ookeanid suudavad meie atmosfääris tuhat korda rohkem soojust absorbeerida ilma temperatuuri oluliselt muutmata. Näiteks on maailma ookeanid neelanud suurema osa ülemaailmsete kliimamuutuste suurenenud kuumusest.

Kui vesi muutub külmemaks, järgib selle tihedus prognoositavat materjali suundumust, kasvades iga temperatuuri langusega tihedamaks kuni 4 kraadi C. Kui vesi muutub jääks, muutub see kergemaks, vähem tihedaks (umbes 9%), kuna vesinikuaatomid ühendavad kristallvõre struktuur. See omadus võimaldab jääl hõljuda oma tihedama vedela faasi peal, muutes vee talvituvaks eluks kogu maailmas, sealhulgas Antarktika ookeanis. Vee paisumine muutumisel vedelast tahkeks faasiks võib olla ka võimas häiriv jõud; võimeline graniiti lõhestama.

See jõud võib võrdselt pingutada nii rakusisesel kui ka rakulisel tasemel. Tahke vee laienemine rakkudes võib põhjustada nende lõhkemist ja rakkudevaheliste ruumide külmumine põhjustab jääkaotuses veekaotust ning ioonide ja metaboliitide kogunemist. See vee tasakaalustamatus põhjustab vedeliku väljavoolu rakkudest välja nendevahelistesse ruumidesse. See võib põhjustada ioonide toksilise kontsentratsiooni rakus või märkimisväärset rõhukindluse kaotust ja raku kokkuvarisemist.

Erinevate kuningriikide organismide hulk on kohanenud vett külmutavate temperatuuride jaoks: taimed, pärmid, bakterid ning loomad nagu kalad ja putukad. Nad töötavad erinevates kihtides, kuid kõik peavad elama oma keskkonna füüsiliste reeglite, eriti veeomaduste järgi.

Kui sool lahustatakse vees, alandab see selle külmumispunkti. Seetõttu on mereveel pisut erinevad omadused kui värskel, kuna lahustunud soolad (tüüpilise merevee puhul 3,5%) alandavad külmumistemperatuuri miinus 1,9 kraadini C. Seda nimetatakse jäätumistemperatuuri languseks ja see on paljude külma kliimaga elanike või psührofiilide tavaline väljakujunenud kiht. . De Vries mõistis, et tema ellujäänud madalas vees asuvate kalade külmumistemperatuuri langust ei saa seletada üksnes kalade seerumis leiduvate tavaliste kehasooladega. Ta töötas välja rea ​​katseid, et eristada oma kahte tüüpi kala keemilises koostises ja eraldas glükoproteiinid, mis olid tema avastuse võtmeks. Valgud kinnitusid kala veres olevate jääkristallide külge ja takistasid nende kasvu. See koos kehasooladega võimaldas kaladel säilitada vedelat verd miinus 2,5 kraadi juures.

McMurdo jaam, autor Bruce McKinlay, Flickr cc

Tema ja ta kolleegide lõpuks selgus, et need glükoproteiinid seonduvad jääkristallidega pöördumatult protsessis, mida nad nimetasid adsorptsiooni pärssimiseks (DeVries ja Raymond, 1977). See on niinimetatud sammhaaramise protsess, mille käigus külmutamiseks vajalikud olulised füüsikalised järjestused katkestatakse või lühendatakse. Sel juhul seondusid AFP-d väikeste tärkavate jääkristallidega ja sundisid jää moodustumist väiksemateks adsorptsioonikohtade vahelisteks ruumideks, painutades seeläbi jäävõre kasvu rinde kõveraks. See tekitas suurema pinnavaba energia ja alandas tõhusalt külmumispunkti nähtuses, mida nimetatakse Gibbs-Thomsoni efektiks.

AFP-d on tavaliselt väikesed ühendvalgud, millel on aminohappe treoniini ekstsentriline koormus. Treoniinil on hüdrofiilne pind, mille külge veemolekulid kinnituvad nõrgalt. See adsorptsioon takistab mikrokristallide liitumist suuremateks kristallideks ja hoiab vett vedelas olekus.

Näib, et need väikesed jääkristallid jäävad kaladesse kogu eluks, kuid seda uuritakse endiselt. Ehkki puuduvad tõendid selle kohta, et kristalle oleks aastaringselt kahjustatud, on DeVries seisukohal, et neil peab olema mehhanism nende tühistamiseks. Üks üllatav hiljutine avastus on olnud, et AFP-de olemasolu paneb kristallid sulamisele vastu; Nende sulatamiseks on vaja kõrgemat temperatuuri, samuti nende moodustamiseks madalamat temperatuuri.

DeVriesi sõnul pole teada vaid see, kuidas need valgud on võimelised selles vedelas keskkonnas tahke faasi veemolekule ära tundma ja eelistatavalt nendega seonduma. Samuti uuritakse, kuidas need kasvu kasvu takistavad. Adsorptsiooni pärssimise mudel on endiselt arutamiseks ja täiustamiseks. Sellegipoolest ei saa seda ümber lükata kui edukat ellujäämisstrateegiat. Tõepoolest, see on näide lähenemisest, sageli oma olemuselt tõhusate ja püsivate lahenduste näitaja, kui mitte garantii. Kaks geneetiliselt eristatavat kalapopulatsiooni, üks Arktikas (arktiline tursk) ja teine ​​Antarktikas (notothenioidid), on need meetodid välja töötanud.

Nende külmumisvastaste valkude avastamine võis mõjutada kogu teadustööstust nende võimetest, kuid kas need toimivad sama hästi kui äriline nimekaim? Näib, et neil läheb tegelikult suurusjärgu võrra palju paremini. Põhjus on selektiivsus, mida nad ilmutavad väikeste jääkristallide külge kinnitumisel. Etüleenglükool, tavaliselt autoradiaatorites kasutatav roheline vedelik, toimib massiefektina, häirides vesiniku sidumist vaipade pommitamise keemilise ekvivalendiga. Kuigi see ei ole püsiv, on kemikaal mõõdukalt mürgine. Allaneelamisel muundatakse see etanoolhüdrogenaasi toimel oblikhappeks. Oksaalhape on väga toksiline, mõjutades kesknärvisüsteemi, südant, kopse ja neere. See põhjustab igal aastal kümneid tuhandeid loomade mürgistusi ja tuhandeid inimesi. Rottidel on näidatud etüleenglükooli suurenevates annustes arengutoksilisuse mõjurina.

Samblik, Xanthoria elegans võib fotosünteesida temperatuuril -24 ° C. Foto autor: Jason Hollinger

Metüleenosakestega propüleenglükool on välja töötatud etüleenglükoolile ohutuma alternatiivina, kuid sellel puuduvad AFP-de efektiivsus. See on aga odavam, kergesti kättesaadav ja kasutab materjali, mida juba kasutatakse toiduainetööstuses ja mille on heaks kiitnud FDA.

Vaatamata aastakümnete pikkustele uuringutele nende valkude mehhanismi kohta, on tööstuses vähe rakendusi. Jäätises kasutatakse rekristalliseerumise vältimiseks arktilise tuhakala valke ning AFP-sid ja kasvuhormoone, mis on kasvatatud tehistingimustes kasvatatud lõhe jaoks külma ilmaga vastupidavuse ja suurema kasvu tagamiseks. Nende valkude kasutamine tõotab kõige rohkem kasu ja väljakutseid just biomeditsiini valdkonnas.

Elundite transportimine ja siirdamine, inimkehade säilitamine meditsiiniliste imede (krüoonika) jaoks tulevikus ja operatsioonide tegemine on kõik ettevõtmised, kus AFP-l võiks olla revolutsiooniline roll. Üksikud rakud, nagu sperma ja munad, külmutatakse ja säilitatakse rutiinselt, kuid suuremaid kudesid on raskem säilitada. AFP-sid on edukalt kasutatud rottide ja sigade südamete säilitamiseks madalamal temperatuuril. Ühes katses eemaldasid teadlased roti südame, säilitasid seda steriilses vees ja AFP-des miinus 1,3 kraadi C juures 24 tundi, seejärel siirdasid soojendatud (mittepumbavat) südant uude roti.

Hoolimata nendest varasematest õnnestumistest ja AFP suurtest lubadustest, jääb inimelundite säilitamise tehnoloogia meditsiinilistest nõudmistest siiski kaugele maha. USA tervishoiu- ja inimteenuste osakonna hinnangul sureb päevas umbes 21 patsienti, kes ootavad elundit, mis pole saadaval. Kopsud on praeguseid tehnikaid kasutades kasutatavad ainult kaksteist tundi ja südamed ainult neli või viis. Krüoprotektiivide toksilisus ja sulatamise kahjulik mõju on kaks kõige keerulisemat probleemi. Kui klaasistamine on efektiivne tehnika elundite kiireks külmutamiseks klaasist olekuni, siis enamik tehnikaid tugineb rakkude täispumbamisele, mis on täis mürgiseid kemikaale, ja sulatamisel on kahjustus kõige suurem. Erinev soojenemine põhjustab vastasjõududele allunud materjali killustumist ja purunemist. Üks Minnesota ülikooli meeskond töötab aga nanoosakeste kasutamise meetodi abil, et soojendada elundeid õrnalt ja ühtlaselt tagasi temperatuurini. Magnet nanoosakesed erutuvad raadiolainete abil aktiivsusest (ja kuumusest) protsessis, mida meeskond nimetab nanowarminguks, ja seda meetodit on rakkude klastrites edukalt kasutatud.

Teised uurimisrühmad otsivad mujalt loodusest veelgi tõhusamaid külmumisvastaseid ühendeid. Üks on külmumist taluvas Alaska mardikas Upis ceramboides leitud glükolipiid, mis võimaldab putukal taluda miinus 60 kraadi C temperatuuri ja siiski taastuda. Lõuna-Carolina raku- ja koesüsteemid kasutavad seda ettevõtte sõnul edukalt kudede säilitamiseks päevade jooksul temperatuuril alla nulli ilma halvenemiseta. Näib, et glükolipiid katab raku membraani, soomustades seda välise jääga ja tihendades seda raku vedeliku osmootse tõmbe vastu.

Kas kasutada valku või glükolipiidi, alandada külmumistemperatuure või taluda tugevat külmetumist, pumbata ennast täis krüoprotektiivseid aineid, sulgeda ennast või kuivatada, on kõigi domeenide loodusorganismid elanud aeg-ajalt külmetuse käes. Inimeste teadlaste ülesandeks on need saladused täielikult lahti teha ja kasutada neid elu paremaks säilitamiseks.

Algselt avaldati väljaandes Zygote Quarterly.