Ученые выяснили, как медузы выдерживают экстремальное давление

Фото из открытых источников

Некоторые из нас процветают под давлением. Другие не могут функционировать без него. А есть еще глубоководные гребневики: их тонкие, текучие тела буквально распадаются, если они покидают свои глубоководные дома, где давление достигает 400 бар — примерно эквивалентно весу 15 африканских слонов, сидящих на ладони. Теперь исследователи выяснили, почему: клеточные мембраны этих медуз зависят от экстремального давления, чтобы функционировать и сохранять свою нежную форму. Статья об открытии была опубликована в журнале Science.

Склонность животных «таять», когда их выносят на поверхность, сохраняется даже тогда, когда их держат в холоде, что позволяет предположить, что в этом не виноваты изменения температуры. Вместо этого авторы нового исследования пришли к выводу, что это явление зависит от клеточных мембран, которые состоят в основном из липидов — жирных, сжимаемых молекул, легко деформируемых при изменении давления.

Чтобы выяснить это, исследователи использовали подводные аппараты с дистанционным управлением для сбора гребневиков на глубине до 4 километров под поверхностью. «Ловить гребешок дистанционно управляемым транспортным средством — это все равно, что ловить бабочку экскаватором», — говорит ведущий автор Джейкоб Винникофф, глубоководный биохимик из Гарвардского университета.

Команда также собрала другие виды гребневиков, плавающих при низком давлении у поверхности океана. А чтобы контролировать температуру, они собрали медузы из широт от Гавайев до Арктики.

В лаборатории исследователи создали мембраны, состоящие исключительно из липидов, извлеченных из медуз, и наблюдали за ними при разных давлениях с помощью рентгеновского рассеяния и флуоресцентной спектроскопии. При низком давлении мембраны, состоящие из липидов глубоководных медуз, распадались, и каждый сегмент сворачивался в плотную трубку. Более пристальный взгляд показал, почему: по сравнению со своими мелководными собратьями, глубоководные медузы содержат в пять раз больше липидов под названием PPE.

Липиды в мембране напоминают ряды цилиндров, расположенных вертикально. Но при низком давлении СИЗ расширяется на одном конце, приобретая вместо этого конусообразную форму. Команда обнаружила, что когда многие липиды PPE делают это вместе, они сгибают этот участок мембраны в завиток, подобно треугольным сегментам ручного вентилятора, образующим кривую при разворачивании. Только экстремальное давление глубоководного океана вынуждает СИЗ принимать относительно цилиндрическую форму, что позволяет ему образовывать стабильную мембрану.

Без этой молекулярной склонности к скручиванию глубина может означать гибель. Когда исследователи взяли бактерии Escherichia coli , модифицированные так, чтобы они имели высокостабильные цилиндрические липиды, которые никогда не скручивались, и удерживали их при давлении, обнаруженном на глубине 5 километров под волнами, бактерии погибли, их липиды слишком плотно прижались друг к другу.

«Клеточные мембраны не могут быть слишком упорядоченными; они должны быть жидкими, чтобы белки и другие вещества могли перемещаться в них», — говорит старший автор исследования Итай Будин, биофизик из Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Напротив, кишечная палочка, созданная для производства средств индивидуальной защиты, процветала под давлением. Естественная конусообразная форма молекулы противостоит этим силам сжатия ровно настолько, чтобы адаптированные к давлению мембраны оставались в «зоне Златовласки» текучести, объясняет Будин. По словам ученых, эта адаптация развивалась как минимум три раза в изученной группе медуз.

Однако необходимость в этой зоне Златовласки может ограничить способность некоторых гребневиков адаптироваться к изменению климата. Виды с наименьшим PPE в исследовании происходят из быстро теплеющих арктических вод, где перемещение дальше на север, чтобы спастись от жары, невозможно. Без достаточного количества PPE в мембранах эти существа, возможно, не смогут переместиться в более глубокие воды, где все еще холодно.

Мелководным гребневикам не угрожает опасность, говорит Винникофф, но если потепление приведет к истощению их популяций, это может вызвать волны в экосистемах, в которых они обитают: эти существа являются основными хищниками зоопланктона, которые составляют основу пищевых цепей, поддерживающих обширные разнообразие морской жизни.

Изучение мембран желе может выявить не только их ограничения, но и наши собственные. «Эти типы липидов находятся в наших клетках крови и нервных клетках, но было много предположений о том, что именно они там делают», — говорит Винникофф. Как и желе, мембранам наших нейронов нужно ровно столько текучести, чтобы функционировать. Некоторые исследования связывают дефицит липидов, подобных PPE, с такими состояниями, как болезнь Альцгеймера. По его словам, изучение структуры и поведения этих липидов может в конечном итоге помочь нам понять, почему.