Американские ученые опубликовали статью, в которой подтвердили свою гипотезу об уникальном механизме, позволяющем тихоходкам переживать высыхание.
«Маленькие водяные медведи», как впервые назвали этих существ еще в 1773 году, способны замещать жидкость в своем теле специальным стекловидным веществом, и это помогает им пережидать засушливые времена. Недавно мы уже писали о начале этих исследований, теперь статья опубликована в рецензируемом журнале Molecular Cell.
Тихоходки — микроскопические беспозвоночные, длина тела которых не превышает полутора миллиметров. Они живут во влажной среде, где питаются водорослями и мхом, медленно передвигаясь на четырех парах коротких и толстых ног. У них нет ни дыхательной, ни кровеносной системы, но есть пищеварительная, нервная и половая. Некоторые специалисты считают их родственниками членистоногих, другие относят их ближе к круглым или кольчатым червям. Известно чуть менее тысячи видов тихоходок, сто двадцать из которых встречаются в России.
Тихоходки обладают поразительной выносливостью. В плохие времена они впадают в анабиоз, втягивают конечности, уменьшаются и принимают вид покрытого восковой оболочкой бочонка. Метаболизм при этом замедляется в десять тысяч раз, а содержание воды в организме уменьшается до одного процента. В благоприятных условиях тихоходка быстро приходит в себя и оживает.
Эти животные способны переносить температуру в -20 градусов Цельсия в течение тридцати лет, могут полтора года жить в жидком кислороде при -193 градусах и выдерживают восьмичасовое охлаждение жидким гелием до -217 градусов. Их можно целый час кипятить в воде, и они все равно выживут. Не погубит их ни давление в 6000 атмосфер, ни пребывание в чистом сероводороде или углекислом газе. Половина тихоходок выживает в рентгеновском излучении, в тысячу раз превышающем смертельную дозу для человека. В одном из недавних знаменитых экспериментов тихоходок отправили в открытый космос и облучали там в вакууме ультрафиолетом. Даже среди подвергнутых самому жесткому облучению тихоходок нашлись те, что сумели выйти из анабиоза и дать потомство.
Способность тихоходок в сто раз снижать количество воды в своем организме давно представлялась любопытной загадкой для ученых. Некоторым организмам помогает переживать засушливые времена углевод трегалоза, и раньше ученые полагали, что это свойственно и тихоходкам.
Исследователи из университета Северной Каролины обнаружили в геноме тихоходок вида Hypsibius dujardini группу генов, которые ответственны за производство специфических для тихоходок «внутренне разупорядоченных» белков, заменяющих почти всю воду в организме стекловидной матрицей. Они относятся к трем типам — цитозольным, экскретируемым и митохондриальным белкам. С помощью биоинформатических предсказаний, а также ЯМР, метода кругового дихроизма и других исследований было показано, что все эти белки действительно не имеют четкой вторичной структуры. Ученые назвали их TDP (tardigrade-specific intrinsically disordered proteins), чтобы подчеркнуть их специфичность к тихоходкам и отделить от других разупорядоченных белков, поскольку гомологов в живой природе у них не нашлось. В данный момент ученые сообщают, что гена фосфатазы, необходимой для синтеза трегалозы, в сборке генома H. dujardini они не обнаружили — по-видимому, соответствующие функции здесь выполняют только TDP.
Чтобы исследовать работу этих белков, гены тихоходки Hypsibius dujardini вставляли в геномы человеческих культур, дрожжей и бактерий, наблюдая у них нужные эффекты при высыхании. Ученые выяснили, что когда тихоходка начинает терять жидкость, в ее клетках запускается экспрессия генов, кодирующих TDP. Чем больше у тихоходки таких генов, тем она лучше справляется с отсутствием воды — поэтому разные тихоходки обладают разной способностью к выживанию при засухе. Paramacrobiotus richtersi, например, умирает, при этом в ее геноме есть всего 22 из 52 исследуемых TDP. Белки заполняют цитоплазму, формируя внутри клетки прозрачную аморфную субстанцию. Существуют две гипотезы, согласно которым организм выживает при такого рода процессе, который изучен и для трегалозы. Согласно первой, все важные молекулы, которые могут пострадать от высыхания — белки, нуклеиновые кислоты, соединения мембран — физически застревают в порах стекловидной матрицы, что предотвращает их разрывы, неправильное сворачивание или слипание. Согласно второй, сильно гидрофильные молекулы TDP (или, у других животных, трегалозы) непосредственно замещают молекулы воды в цитоплазме, формируя вместо них водородные связи с крупными соединениями. Когда в клетках вновь появляется избыток воды, TDP растворяются в ней и «отпускают» все другие молекулы обратно.
Ученые полагают, что включение генов, предотвращающих разрушение важных соединений внутри клеток, в геномы других видов — например, растений, может позволить спасать урожаи во время засухи. Другой вариант применения новых знаний — включение TDP в состав вакцин или лекарств. Выяснилось, что если смешать такой белок, например, с ферментом лактатдегидрогеназой, который обычно разрушается при удалении воды, и высушить такую смесь, то при вторичном разбавлении лактатдегидрогеназа остается функциональной на сто процентов. Такой метод может позволить сильно сэкономить при транспортировке медикаментозных средств, поскольку им не потребуется специальных охладительных устройств для сохранения воды.
Из-за необычайной способности к выживанию и повышенного интереса исследователей с тихоходками связано множество мифов. В какой-то момент вышла статья о том, что тихоходки позаимствовали чуть ли не семнадцать процентов генов у самых разных животных, побив все рекорды горизонтального транспорта у эукариот, однако, вскоре выяснилось, что это всего лишь результат загрязнения образцов. Но есть и более продуктивные исследования — так, мы уже писали о том, что ученые обнаружили методы защиты от радиации у этих симпатичных поедателей мха.
Автор: Анна Казнадзей