Lekarstwo na rzadkie przeziębienie

Tom McKeag

Kiedy Arthur DeVries przybył na stację McMurdo w 1961 r., Był świeżo zatrudniony na Uniwersytecie Stanforda, gdzie zapisał się na 13-miesięczny okres badań nad metabolizmem oddechowym endemicznych ryb Notothenioid znalezionych w McMurdo Sound na Antarktydzie. Notothenioidy to antarctic icefish, podrzędność rzędu Perciformes. Ta kolejność jest najliczniejszą kolejnością kręgowców na świecie i obejmuje okonie, pielęgnice i labraksa. Pięć rodzin ryb Notothenioid dominuje na Oceanie Południowym, co stanowi ponad 90 procent biomasy ryb w tym regionie. Są kluczową częścią całego ekosystemu, ale ekosystem ten nie istniałby w swojej solidnej formie, gdyby nie opracował sposobu na pokonanie ekstremalnego zimna tych wód polarnych. DeVries w końcu dowie się, jak to zrobić.

Stacja McMurdo znajduje się na południowym krańcu wyspy Ross, największej z trzech amerykańskich instalacji naukowych na Antarktydzie. Założony w 1958 roku McMurdo miał wszystkie cechy każdego obozu pracy na skraju surowej przyrody, z kilkoma ozdobami poza generatorami, paletami dostawczymi i chatami Quonset. Społeczność naukowa istniała wbrew klimatowi, a nie z jego powodu: zarejestrowane ekstremalne temperatury są tak niskie jak minus 50 stopni Celsjusza, a średnie roczne temperatury wynoszą minus 18 stopni Celsjusza.

Lodowce u wybrzeży Antarktydy, źródło Wikimedia Commons

Pomimo warunków De Vries dobrze prosperował w zwartej akademickiej atmosferze i trudnych pracach polowych na łowienie, zarybienie i analizowanie ryb. Wyzwania związane z jego tymczasową pracą nieoczekiwanie doprowadziłyby go jednak do przełomowego odkrycia i do życia w polarnej nauce. Niektóre ryby, które łapał i trzymał w zbiornikach, umierały, a inne nie. Jego zapał do rozwiązania problemu i ciekawość w poszukiwaniu przyczyn doprowadziłyby do powstania całej gałęzi badań. Jak powiedział Scientia Publications,

„Podczas tych eksperymentów zauważyłem, że ryba Notothenioid z głębokiej wody zamarzłaby na śmierć, gdyby w naszej chłodzonej słonej wodzie znajdował się lód, podczas gdy ryby złapane w płytkiej wodzie przeżywały w obecności lodu. Postanowiłem zbadać, dlaczego istnieje różnica w tych gatunkach żyjących w wodzie o tej samej temperaturze (-1,9 ° C) w moich badaniach doktoranckich w Stanford. Zbadałem, jakie związki były odpowiedzialne za ich zdolność do unikania zamarzania w tym środowisku, podczas gdy ryby w umiarkowanych wodach zamarzałyby na śmierć w temperaturze -0,8 ° C. Moje badania zakończyły się odkryciem glikoprotein przeciw zamarzaniu, związków odpowiedzialnych za ich ekstremalne unikanie zamrażania. ”

Lodowce antarktyczne, które badał DeVries, znajdują się w specjalnym klubie organizmów ze zdolnością do życia w ekstremalnych temperaturach. Niektóre z tych organizmów, na przykład żaba leśna z Ameryki Północnej, są w stanie zregenerować się po zamrożeniu, a niektóre, jak lody, przeżywają, unikając zamrożenia. W tej grupie znajduje się także wiele gatunków zwierząt, od owadów, przez okrzemki, grzyby i bakterie, które do przetrwania wykorzystują tak zwane białka wiążące lód (IBP). Wykorzystują do tego jeden z pięciu ogólnych mechanizmów: wytwarzanie środka przeciw zamarzaniu; budowanie lodu, gdzie na przykład glon stworzy bardziej umiarkowaną kieszeń na płyn w lodzie; przyleganie do lodu, takie jak niektóre bakterie; zarodkowanie lodu; i hamowanie rekrystalizacji lodu. Rekrystalizacja to konsolidacja małych kryształków lodu w większe, ponieważ są one przyciągane przez wiązanie wodorowe w efekcie kaskady.

McMurdo Sound lód morski autorstwa Bruce McKinlay, Flickr cc

Lodowce opracowały pierwszą strategię tworzenia własnych środków przeciw zamarzaniu. Białka przeciwzamrożeniowe (AFP) można zdefiniować jako dowolne białka wiążące lód, które obniżają temperaturę zamarzania histerezy poniżej temperatury topnienia histerezy, tworząc w ten sposób „lukę histerezy termicznej”. Są to zazwyczaj glikoproteiny z helisy alfa, znane również jako glikoproteiny przeciwzamrożeniowe (AFGP) lub białka histerezy termicznej (THP). Histereza termiczna to rozdział temperatur zamarzania i topnienia. Ryby są w stanie obniżyć punkt, w którym woda w nich zamarza, a punkt, w którym topi się, pozostaje taki sam (więcej na temat zaskakujących zmian w tym później). Zrozumienie, jak to działa, wymaga krótkiej dyskusji na temat samej wody.

Woda jest uniwersalnym medium na ziemi, o unikalnych właściwościach niezbędnych w szerokim zakresie warunków życia i stanowi kluczowy element samych żywych istot. Żaden inny wspólny materiał nie istnieje naturalnie na naszej planecie we wszystkich trzech fazach, ciecz, ciało stałe i gaz. Silne wiązania kowalencyjne utrzymują atomy tlenu i wodoru razem w jednej cząsteczce, ale słabsze wiązania wodorowe łączą ze sobą cząsteczki wody. Polarny charakter cząsteczki, z tlenem ujemnym i wodorem dodatnim, pozwala jej łatwo wiązać się z innymi cząsteczkami, tworząc doskonały i uniwersalny rozpuszczalnik. Woda ma wysoką pojemność cieplną, którą można opisać jako oporność na zmianę temperatur pomimo otoczenia. Stwarza to istotny wpływ moderujący na klimat w wielu skalach. Oszacowano, że nasze oceany mogą pochłaniać tysiąc razy ciepło niż nasza atmosfera bez znaczącej zmiany temperatury. Na przykład większość podwyższonego ciepła globalnych zmian klimatu została pochłonięta przez oceany ziemskie.

Gdy woda staje się zimniejsza, jej gęstość podąża za przewidywalnym trendem materiałowym, rosnąc gęstszym z każdą kroplą temperatury, aż do 4 stopni C. Kiedy woda zamienia się w lód, staje się lżejsza, mniej gęsta (około 9%), gdy atomy wodoru łączą się tworząc krystaliczna struktura sieci. Ta cecha pozwala lodowi unosić się nad gęstszą fazą ciekłą, umożliwiając zimowanie życia w wodzie na całym świecie, w tym na Oceanie Antarktycznym. Ekspansja wody podczas zmiany z fazy ciekłej na fazę stałą może również stanowić potężną siłę zakłócającą; zdolny do podziału granitu.

Siła ta może być równie obciążająca na poziomie wewnątrzkomórkowym i komórkowym. Ekspansja stałej wody w komórkach może powodować ich pękanie, a zamrażanie przestrzeni międzykomórkowych powoduje utratę wody oraz gromadzenie się jonów i metabolitów w postaci lodu. Ten brak równowagi wody powoduje wypływ cieczy z komórek do przestrzeni między nimi. Może to prowadzić do toksycznego stężenia jonów w komórce lub znacznej utraty odporności na ciśnienie i zapadnięcia się komórki.

Szereg organizmów w różnych królestwach dostosowało się do temperatur zamrażających wodę: rośliny, drożdże, bakterie i zwierzęta, takie jak ryby i owady. Stosują różne strategie, ale wszyscy muszą żyć zgodnie z fizycznymi regułami swojego środowiska, a zwłaszcza z właściwościami wody.

Gdy sól rozpuszcza się w wodzie, obniża ona swoją temperaturę zamarzania. Dlatego woda morska ma nieco inne właściwości niż świeża, ponieważ rozpuszczone sole (3,5% dla typowej wody morskiej) obniżają temperaturę krzepnięcia do minus 1,9 stopnia C. Jest to tak zwane obniżenie temperatury krzepnięcia i jest często rozwijaną strategią dla wielu mieszkańców zimnego klimatu lub psychofili . De Vries zdał sobie sprawę, że obniżenia temperatury krzepnięcia u jego ocalałych ryb na płytkich wodach nie da się wytłumaczyć wyłącznie solami ciała w surowicy ryb. Opracował serię eksperymentów, aby zróżnicować skład chemiczny swoich dwóch rodzajów ryb i wyizolował glikoproteiny, które były kluczowe dla jego odkrycia. Białka przyczepiały się do kryształków lodu we krwi ryb i zapobiegały ich wzrostowi. To, w połączeniu z solami ciała, pozwoliło rybom utrzymać płynną krew w temperaturze minus 2,5 stopnia C.

Stacja McMurdo Bruce McKinlay, Flickr cc

Ostatecznie odkrył on i jego koledzy, że glikoproteiny wiążą się z kryształami lodu nieodwracalnie w procesie, który nazwali hamowaniem adsorpcji (DeVries i Raymond, 1977). Jest to tak zwany proces „krokowego przypinania”, w którym kluczowe sekwencje fizyczne niezbędne do zamrażania są przerywane lub ograniczane. W tym przypadku AFP wiązały się z małymi powstającymi kryształami lodu i zmuszały tworzenie lodu do mniejszych przestrzeni między miejscami adsorpcji, zginając w ten sposób przód wzrostu sieci lodowej w krzywą. Stworzyło to wyższą swobodną energię powierzchniową i skutecznie obniżyło punkt zamarzania w zjawisku zwanym efektem Gibbsa-Thomsona.

AFP to zazwyczaj małe białka złożone z ekscentrycznym ładunkiem aminokwasu treoniny. Treonina ma hydrofilową powierzchnię, do której słabo przyczepiają się cząsteczki wody. Ta adsorpcja powstrzymuje mikrokryształy przed zlewaniem się w większe kryształy i utrzymuje wodę w stanie ciekłym.

Wydaje się, że te małe kryształy lodu pozostają w rybach przez całe życie, ale wciąż jest to badane. Chociaż nie ma dowodów na to, że na kryształy wpływa niekorzystnie całoroczna obecność kryształów, DeVries uważa, że ​​muszą mieć mechanizm ich unieważnienia. Jednym zaskakującym niedawnym odkryciem było to, że obecność AFP powoduje, że kryształy są odporne na topienie; wyższe temperatury są potrzebne do ich stopienia, a także niższe temperatury potrzebne do ich wytworzenia.

Według DeVriesa nie wiadomo, w jaki sposób białka te potrafią rozpoznawać cząsteczki wody w fazie stałej w tym ciekłym środowisku i preferencyjnie się z nimi wiążą. W jaki sposób zapobiegają wzrostowi, wciąż jest badane, a model hamowania adsorpcji jest nadal otwarty na debatę i udoskonalenie. Niemniej jednak nie można obalić tego jako udanej strategii przetrwania. Rzeczywiście jest to przykład konwergencji, często wskaźnik, jeśli nie gwarancja, skutecznych i trwałych rozwiązań w przyrodzie. Dwie genetycznie odrębne populacje ryb, jedna w Arktyce (dorsz arktyczny) i jedna w Antarktydzie (Notothenioids), opracowały te techniki.

Odkrycie tych białek przeciwzamrożeniowych mogło podważyć ich możliwości badawcze, ale czy działają one tak dobrze, jak ich nazwa handlowa? Wygląda na to, że tak jest, o wiele lepiej, o rząd wielkości. Powodem jest selektywność, jaką wykazują przy przyczepianiu do małych kryształków lodu. Glikol etylenowy, zielony płyn zwykle stosowany w grzejnikach samochodowych, działa na zasadzie efektu masowego, zaburzając wiązanie wodoru przez chemiczny odpowiednik bombardowania dywanów. Chociaż nie jest trwały, substancja chemiczna jest umiarkowanie toksyczną trucizną. Po połknięciu jest przekształcany w kwas szczawiowy przez wodorazę etanolową. Kwas szczawiowy jest bardzo toksyczny, wpływając na ośrodkowy układ nerwowy, serce, płuca i nerki. Odpowiada za dziesiątki tysięcy zatruć zwierząt i tysiące zatruć u ludzi każdego roku. Wykazano, że glikol etylenowy działa toksycznie na rozwój w wyższych dawkach u szczurów.

Porosty Xanthoria elegans mogą kontynuować fotosyntezę w temperaturze -24 ° C. Zdjęcie Jason Hollinger

Glikol propylenowy z nanocząstkami metali został opracowany jako bezpieczniejsza alternatywa dla glikolu etylenowego, ale brakuje mu skuteczności AFP. Jest jednak tańszy, łatwo dostępny i wykorzystuje materiał już zastosowany w przemyśle spożywczym i zatwierdzony przez FDA.

Pomimo dziesięcioleci badań nad mechanizmem tych białek, zastosowania przemysłowe pozostają nieliczne, ponieważ białka lodów arktycznych stosuje się w lodach, aby zapobiec rekrystalizacji, a AFP i hormony wzrostu wprowadzono do transgenicznego łososia hodowlanego w celu zapewnienia odporności na niskie temperatury i zwiększonego wzrostu. Jednak w dziedzinie biomedycznej zastosowanie tych białek zapewnia największe korzyści i wyzwania.

Transportowanie i przeszczepianie narządów, zachowanie ludzkich ciał dla przyszłych cudów medycyny (krioniki) oraz przeprowadzanie operacji to przedsięwzięcia, w których AFP mogłyby odegrać rewolucyjną rolę. Pojedyncze komórki, takie jak plemniki i jaja, są rutynowo zamrażane i przechowywane, ale trudniej jest zachować większą tkankę. AFP z powodzeniem zastosowano do ochrony serc szczurów i świń w temperaturach poniżej zera. W jednym eksperymencie naukowcy usunęli serce szczura, zachowali je w sterylnej wodzie i AFP w temperaturze minus 1,3 stopnia C przez 24 godziny, a następnie przeszczepili rozgrzane (nie pompujące) serce nowemu szczurowi.

Pomimo tych wczesnych sukcesów i wielkiej obietnicy AFP technologia ochrony ludzkich narządów wciąż pozostaje daleko w tyle za popytem medycznym. Amerykański Departament Zdrowia i Opieki Społecznej szacuje, że około 21 pacjentów dziennie umiera w oczekiwaniu na niedostępny narząd. Płuca pozostają użyteczne tylko przez dwanaście godzin, a serca tylko cztery lub pięć, przy użyciu obecnych technik. Toksyczność krioprotektantów i destrukcyjne efekty rozmrażania są dwoma najtrudniejszymi problemami. Podczas gdy witryfikacja jest skuteczną techniką szybkiego zamrażania narządów do stanu szklistego, większość technik polega na pompowaniu komórek pełnych toksycznych chemikaliów i to właśnie w rozmrażaniu uszkodzenia są najbardziej dotkliwe. Różnicowe ocieplenie powoduje odpryskiwanie i pękanie materiału poddanego działaniu sił przeciwnych. Jeden zespół z University of Minnesota pracuje jednak nad metodą wykorzystania nanocząstek do łagodnego i równomiernego podgrzewania narządów z powrotem do temperatur życia. Nanocząstki magnetyczne są podekscytowane działaniem (i ogrzewaniem) fal radiowych w procesie, który zespół nazywa „nanorarmingiem”, a technika ta została z powodzeniem zastosowana w klastrach komórek.

Inne zespoły badawcze szukają gdzie indziej w naturze jeszcze skuteczniejszych związków zapobiegających zamarzaniu. Jednym z nich jest glikolipid znajdujący się w odpornym na zamarzanie chrząszczu alaskańskim Upbo ceramboides, który pozwala owadowi wytrzymać temperatury minus 60 stopni C i nadal się regenerować. Według firmy Cell and Tissue Systems z Karoliny Południowej z powodzeniem stosuje ją do konserwacji tkanek przez kilka dni w temperaturach poniżej zera bez pogorszenia. Glikolipid wydaje się pokrywać błonę komórki, opierając ją na zewnętrznym lodzie i uszczelniając przed osmotycznym czerpaniem płynu z komórki.

Niezależnie od tego, czy używasz białka lub glikolipidu, obniżając temperatury zamarzania lub znosząc zamrożenie, pompując się pełnymi krioprotektantami, uszczelniając się lub susząc, organizmy przyrody ze wszystkich domen zaczęły żyć z niezwykłym zimnem. W dalszym ciągu do ludzkich naukowców należy pełne odkrycie tych tajemnic i wykorzystanie ich w lepszej ochronie życia.

Pierwotnie opublikowany w Zygote Quarterly.