Kuvassa: Dissostichus mawsoni - yksi nototenian suurimmista edustajista - voi painaa jopa 90 kiloa (kuva: Chris Cheng ja Paul Cziko).
Kuinka Etelämantereen kalat hallitsevat paitsi olemassaolonsa myös elävät rauhallisesti lämpötiloissa, jotka ovat lähellä veden jäätymispistettä? Utelevat tutkijat ovat etsineet vastausta tähän hankalaan kysymykseen monien vuosien ajan - tällainen "jäädyttäminen" olisi hyödyllistä ihmiskunnalle. Nyt amerikkalaiset tutkijat päättivät tarkastella juurta, nimittäin tutkia biologisen pakkasnesteen toimintoja ja geenejä. Ja uusi työ johti arvokkaaseen löytöön
Illinoisin yliopiston tutkijat sitoutuivat tutkimaan Etelämantereen hammaskalan (Dissostichus mawsoni) genomia saadakseen selville, mikä määrää sen fantastisen kestävyyden.
Notothenioidei-alalajin kalat elävät eteläisen valtameren jäisillä vesillä ja muodostavat lähes 90% tämän alueen kalojen biomassasta. Tästä syystä geneettikot valitsivat heidät koehenkilöiksi. Paikallisten vesien lämpötila on sellainen, että vedenalaisten asukkaiden koko kehon olisi pitänyt muuttua jääksi. Tätä ei kuitenkaan tapahdu. Miksi?
Huolellinen tutkimus nototenilaisten epätavallisista kyvyistä alkoi lähinnä viime vuosisadan 50-luvulla. 1960-luvulla professori Arthur DeVries Illinoisin yliopistosta eristää ensin ja kuvasi "jäätymisenestoproteiineja", jotka sitovat jääkiteitä kalaveressä estäen sen jäätymisen. Syvänmeren asukkaiden organismi tuottaa heidät itse.
Notothenioidei-alaosassa on kahdeksan perhettä, joista viisi asuu Etelämantereella, elävät hiljaa matalissa lämpötiloissa (-2–4 ° C) ja korkeassa happipitoisuudessa (joka liukenee paremmin kylmään veteen ja muuttuu kehon kudoksiin haitallisiksi erittäin reaktiivisiksi muodoiksi).
Devrisin vaimon Chi-Hing "Christina" Chengin johtama geneettisten ryhmien joukko pyrki selvittämään äärimmäisen kestävyyden geneettisen perustan.
"Tämä työ oli ensimmäinen täysimittainen tutkimus uskomattoman kylmässä vedessä elävien kalojen kaikista biologisista toiminnoista koko elämänsä syntymästään kuolemaan", Cheng sanoo.
Ensinnäkin tutkijat ottivat tarkkaan hallintaansa nontoteniumin tyypillisen edustajan - Dissostichus mawsonin. Christina ja hänen kollegansa halusivat selvittää, mitkä geenit ilmenevät yleisimmin arktisella hammaskalalla. Tätä varten he ottivat neljä kudosnäytettä: aivoista, munasarjoista, maksasta ja munuaisista (kalojen tärkein hematopoieettinen elin).
Mainosvideo:
Huomaa, että kaksi vuotta sitten tutkijat havaitsivat, että maksa melkein ei tuota sopeutumiseen tarvittavia proteiineja. Vatsa ja eksokriininen haima toimivat paljon enemmän kalojen hyväksi.
Aluksi geneettiset tutkijat päättivät, että Etelämantereen kaloilla on erittäin tehokas kaikkien geenien ilmentyminen, jotka antavat heille mahdollisuuden selviytyä alhaisissa lämpötiloissa ja korkeissa happipitoisuuksissa. Vaikka vaihtoehtoa harkittiin myös, kun tietyt kudokset tuottavat suuria määriä tiettyjä proteiineja.
"Huomasimme, että valtaosassa tapauksia tietty geeniryhmä on toiminnassa", Cheng sanoo. "Jokainen kudos ilmentää kaikkia mahdollisia geenejä, mutta se hyvin pieni ryhmä sytoprotektiivisia geenejä ilmentyy suurina määrinä kaikissa kudoksissa."
Seuraavaksi tutkijat vertasivat Maailman valtameren lämpimillä vesillä elävien D. mawsonin ja siihen liittymättömien kalojen geenien ilmentymistä ja havaitsivat, että suurin osa Etelämantereen kalojen tarvitsemista geeneistä ei melkein ilmene muissa lajeissa.
Niiden sekvenssien joukosta, jotka ovat vastuussa tiettyjen proteiinien tuotannosta suuressa määrin (ylisäänteltyjä geenejä), on havaittu monia geenejä, jotka koodaavat proteiineja, jotka ovat vastuussa kehon vastauksesta negatiivisiin ympäristövaikutuksiin. Tutkijat ovat laskeneet peräti 177 perhettä.
Erityisesti on löydetty erilaisia chaperoneja (proteiineja, joiden päätehtävänä on palauttaa vaurioituneiden proteiinien oikea tertiäärirakenne), ja erityisesti "lämpöshokkiproteiineja", jotka suojaavat soluja äärilämpötiloilta. Läsnä oli myös ubikvitiiniä, proteiineja, jotka tukevat solujen terveyttä ja merkitsevät muita proteiineja ennen hajoamista.
Lisäksi Etelämantereen hammaskalan genomissa näitä proteiineja esiintyy 3 - 300 kertaa useammin kuin sen lämpimän veden "vastineissa", mikä myös lisää kalan organismin vastustuskykyä äärimmäisiin olosuhteisiin.
Tällä hetkellä tutkijat tutkivat ilmastonmuutoksen (veden lämpötilan nousun) vaikutuksia Etelämantereen kalalajeihin. Heidän on selvitettävä, pystyykö D. mawsoni sopeutumaan uusiin olosuhteisiin. Loppujen lopuksi, jos Etelämantereen hammaskala kuolee sukupuuttoon, kaikki eteläisen valtameren ravintoketjut kärsivät.
Lue lisää tutkimuksesta yliopiston lehdistötiedotteessa, löytön kirjoittajien artikkelista, julkaistu PNAS: ssa. Illinoisin yliopisto on myös valmistanut tämän diaesityksen tiedotustarkoituksiin.
Tietysti on liian aikaista puhua saatujen tietojen käytännön soveltamisesta ihmisten hyödyksi. Tämä tutkimus on perustavanlaatuisempaa kuin sovellettu. Kykenevätkö tiedemiehet vuosien kuluttua uusien löytöjen avulla luomaan jonkinlaisen erityisen pakkasnesteen mekanismeille ja tuotteille, tai (jos todella haaveilet siitä) parantamaan kykyä selviytyä alhaisissa lämpötiloissa?