Учёные обнаружили невероятные адаптации внутри живых клеток в Антарктиде

Фото из открытых источников

Впервые ученые могут наблюдать за работой живых клеток антарктических рыб в режиме реального времени, и это уже демонстрирует, как экстремальные условия могут заставлять живые организмы адаптироваться даже на микроскопическом уровне. Новая статья с описанием полученных результатов опубликована на сервере препринтов bioRxiv.

Исследователи из Британской антарктической службы и Кембриджского университета разработали новый микроскоп, способный получать высокоточные изображения при температурах чуть выше 0 °C.

Получение микроскопических изображений живых клеток, адаптированных к холоду, ранее представляло собой техническую проблему, поскольку большинство микроскопов рассчитаны на работу при более высоких температурах. Получение изображений было практически возможным, но холодолюбивые клетки быстро погибали в тепле лаборатории, а конечный продукт имел относительно низкое разрешение.

В результате, внутренние механизмы холодоадаптированных видов до сих пор не были должным образом изучены на микроскопическом уровне – до настоящего времени. 

Исследовательская группа использовала свой новый микроскоп для получения изображений живых клеток антарктической колючей рыбы-промысловика, вида, обитающего в почти ледяных водах Южного океана и субантарктических островов. Затем они сравнили их с культивированными клетками шанни, небольшой и довольно непримечательной рыбы, обитающей в спокойных водах Великобритании.

Этот эксперимент также примечателен тем, что впервые в лабораторных условиях были культивированы клетки антарктической рыбы, и исследователям пришлось разработать новые методы поддержания жизнеспособности клеток, которые теперь можно использовать в будущих исследованиях.

В ходе исследования были выявлены многие удивительные адаптации, позволяющие колючей рыбе-грабителю выживать в водах, температура которых близка к нулю. 

Во-первых, клетки холодноводной рыбы содержали значительно больше митохондрий, чем клетки её умеренного сородича, и они слились в более крупные, взаимосвязанные сети. 

Исследователи предполагают, что это различие является результатом того, что в холодных условиях им сложнее синтезировать белки. Поскольку митохондрии, как известно, являются энергетическими центрами клетки, возможно, рыбы компенсировали эту трудность, увеличив запасы энергии, чтобы по-прежнему синтезировать достаточное количество белка.

Во-вторых, у антарктических рыб также были более крупные лизосомы — менее известные «мусорные баки» клетки, которые расщепляют отходы и старые клеточные компоненты. Увеличение размера, возможно, связано с тем, что белки с большей вероятностью повреждаются и неправильно сворачиваются в холодной среде, поэтому клетке приходится прилагать больше усилий для их утилизации. 

«Белок — это не просто то, что мы едим, — это важнейшая часть базовой клеточной биологии», — заявила Франческа ван Тартвейк, клеточный биолог из Британской антарктической службы и Кембриджского университета, возглавляющая это исследование. «Белки изначально представляют собой длинные цепочки молекул, называемых аминокислотами, немного похожие на нить бусин. Затем эти цепочки складываются в точную форму, почти как оригами, и эта форма определяет все возможности белка».

«Низкие температуры, например, в Южном океане, замедляют и нарушают этот процесс, повышая вероятность ошибок при сворачивании белков. Неправильно свернутый белок в лучшем случае бесполезен, а в худшем — может быть очень вреден, поэтому этим холодоадаптированным клеткам нужны способы борьбы с ними», — объяснила она.

С точки зрения человека, жизнь в антарктических водах кажется очень медленной. Животные Южного океана обладают крайне медленным метаболизмом, растут очень медленно и живут чрезвычайно долго. Однако эти результаты показывают, что на клеточном уровне это не так. Митохондрии и другие органеллы работают с той же скоростью, что и животные в умеренном климате, что несколько удивительно, учитывая остальную часть их биологии.

По словам исследователей, эти знания могут оказаться очень полезными для понимания того, как антарктические рыбы будут реагировать на повышение температуры морской воды. 

«Антарктические животные невероятно уязвимы к изменению климата — мы это уже знаем», — сказала профессор Мелоди Кларк, руководитель отдела генетики Британской антарктической службы и соруководитель проекта «Холодная рыба». «Повышение температуры всего на несколько градусов может быть смертельным. Мы хотим разобраться, почему антарктические виды обладают такой низкой устойчивостью к повышению температуры — обусловлены ли эти пределы клеточной биологией или же особенностями работы всего организма, например, системы кровообращения».

Одним из самых известных обитателей антарктического моря является рыба-ледник, получившая свое название не случайно. Она способна выживать в воде с температурой замерзания до -1,8°C, что соответствует точке замерзания соленой воды, не превращаясь при этом в леденец. 

Рыбы достигают этого, перекачивая через кровь большое количество антифризных белков, которые предотвращают образование кристаллов льда в тканях. 

Кровь ледяной рыбы также совершенно прозрачна, потому что в ней отсутствует гемоглобин или красные кровяные клетки. Животному это удаётся, потому что в ледяной воде содержится гораздо больше растворённого кислорода, чем в тёплой, что позволяет достаточному количеству кислорода растворяться непосредственно в плазме крови.

С помощью нового микроскопа, как ожидается, будут раскрыты еще более удивительные сверхспособности обитателей Антарктического океана.

«Это невероятно захватывающе — иметь возможность изучать живые клетки при отрицательных температурах и видеть своими глазами, что происходит», — сказал профессор Клеменс Камински, заведующий кафедрой в CEB и соруководитель проекта. «Следующим шагом станет разработка технологий визуализации, которые позволят нам изучать биологические системы в контролируемых условиях, более точно отражающих полярные среды, в которых они эволюционировали».