Opterećene rastvorenom solju, antarktičke vode mogu da lebde iznad tačke smrzavanja, pa čak i da se spuste ispod nje. Ovako niske temperature bi verovatno ubile životinje koje napreduju u toplijim vodama severnije. Ipak, neka stvorenja su pronašla načine da žive na ovoj negostoljubivoj hladnoći.
U novoj studiji opisanoj u Proceedings of the National Academi of Sciences, istraživači iz Morske biološke laboratorije (MBL) i njihovi saradnici fokusirali su se na to kako je život u tako hladnom staništu promenio enzim neophodan za funkcionisanje nervnog sistema jedne životinje, hobotnice. koji živi u cirkumpolarnom Južnom okeanu. Njihov rad istražuje jedan od mnoštva načina na koje su se živa bića prilagodila ekstremnim okruženjima.
„Posmatrali smo do detalja veoma važan enzim za nervni sistem, natrijum-kalijum pumpu, i pitali smo: ‘Gde vidimo većinu ovih mesta adaptacije?’, kaže Džošua Rozental, viši naučnik u MBL-u.
Temperatura je delimično važna za život, jer enzimima koji pokreću sve vrste biohemijskih reakcija u telu je potrebna toplotna energija — koja se manifestuje kao toplota — da bi delovali. Kako temperature padaju, aktivnost enzima se usporava i na kraju se zaustavlja.
Dok neke životinje, uključujući ljude, mogu da zagreju svoja tela, hobotnici nedostaje ta sposobnost. Ipak, ova osmoruka stvorenja su pronašla način da nasele antarktičke vode gde hladnoća smanjuje brzinu njihovih enzimskih reakcija za 30 puta. Nervni sistem je posebno ranjiv, jer slanje i primanje električnih signala zahteva mnogo pažljivo koordinisanih reakcija. „Kada ih sve usporite do tog stepena, veliko je pitanje: kako se prilagođavaju?“ Rozental kaže.
Naučnici su već proučavali adaptaciju na hladnoću u mnogim proteinima, ali su u velikoj meri prevideli one koji su ugrađeni u membranu nalik koži koja okružuje ćelije. Membranski proteini obavljaju brojne poslove, uključujući premeštanje jona u ćelije i iz njih. Protein u centru novog istraživanja, Na + /K + -ATPaza, uklanja natrijumove jone iz ćelija, istovremeno unoseći kalijum, stvarajući razliku u električnom potencijalu koji neuroni koriste kao izvor energije za komunikaciju.
U prethodnim istraživanjima, tim, koji uključuje Rosenthal i Miguel Holmgren, biofizičar membranskih proteina u američkom Nacionalnom institutu za neurološke poremećaje i moždani udar i dugogodišnji Vitman istraživač na MBL-u, otkrio je da hladnoća usporava pumpe natrijum-kalijum iz antarktičke hobotnice. , pripadnik roda Pareledone, mnogo manje nego od hobotnica sa dve tačke (Octopus bimaculatus) koje žive u umerenim vodama, kao što su obale Kalifornije.
Da bi utvrdio razlike između pumpi, tim je pogledao građevne blokove, poznate kao aminokiseline, koji ih čine. Iako su ova dva u velikoj meri identična, pronašli su neka mesta gde su se aminokiseline razlikovale. Da bi utvrdili koje od ovih promena su bile najuticajnije, zamenili su ih između pumpi i testirali efekte.
Prvo su konstruisali pumpu za umerenu temperaturu da sadrži jedinstvene antarktičke aminokiseline kako bi videli koje je tolerisalo hladnoću, a zatim su uklonili te antarktičke promene kako bi vratili pumpu u njeno umereno stanje osetljivo na hladnoću. Na ovaj način, suzili su najvažnije razlike na tri koje su – zajedno – omogućile pumpi da brzo radi na temperaturama skoro niskim.
Jedan od njih, nazvan L314V, imao je najveći efekat. Zamena ove aminokiseline sa leucina antarktičke pumpe u umereni valin bi mogla da iskoreni novootkrivenu hladnoću.
Kada su mapirali položaj L314V i druge dve promene u strukturi pumpe, istraživači su ih pronašli na ivici, okrenuti prema masnoj membrani. U slučaju L314V, istraživači veruju da promena ove aminokiseline menja način na koji se ovaj deo pumpe kreće prema membrani, verovatno smanjenjem otpora kako bi pumpa mogla da radi brže.
„Za nas ima smisla“ da bi interfejs između proteina i membrane bio mesto za takve adaptacije, kaže Holmgren. „Kada budemo proučavali više membranskih proteina, mislim da ćemo videti još primera za ovo.“
