Niesporczaki absolutne

avatar
Magda Kopczyńska 9 Sty, 5 minut czytania
żródło: flickr.com

Niesporczaki (łac. Tardigrada) to mikroskopijne istoty cechujące się niezwykłymi właściwościami. Najbardziej imponująca jest ich zdolność przetrwania w skrajnie niekorzystnych warunkach – niestraszne im zero absolutne (-273ᵒC), czy promieniowanie jonizujące o dawce 1000 razy większej niż ta, która jest śmiertelna dla człowieka. Naukowcy od dawna szukają mechanizmów odpowiedzialnych za przeżycie w tak ekstremalnych warunkach. W 2016 roku tokijscy naukowcy – Takuma Hashimoto i Takekazu Kunieda – odkryli białko odpowiedzialne za ochronę niesporczakowego DNA przed promieniowaniem jonizującym. Natomiast w październiku 2019 zespół Jamesa Kadonaga i Caroliny Chavez z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego przybliżył nas do pełnego rozwiązania tej tajemnicy.

Wszędobylskie wodne niedźwiadki

Niesporczaki znane są również jako niedźwiedzie wodne (ang. water bears) lub, nieco bardziej pieszczotliwie w polskim tłumaczeniu, mchowe świnki (ang. moss piglets). Zasiedlają niemal każdy zakamarek naszej planety, a jedyne czego potrzebują do egzystencji, to odrobina wilgoci. Można je znaleźć w morskich głębinach, w glebie, na leśnym mchu, przybrzeżnych trzcinach, na korze drzew, a nawet na lodowcach i w wulkanicznym błocie.

Rys. 1 Zdjęcie mikroskopowe niesporczaka z gatunku Hypsibius dujardini.
Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Niesporczaki

Nie zobaczymy ich gołym okiem – długość ich ciała waha się od 0,01 do 1,2 mm długości. Klasyfikuje się je do królestwa zwierząt, są bezkręgowcami, a ich główne pożywienie stanowią mikroskopijne rośliny, algi i porosty lub obumarłe szczątki. Pierwszy raz zwrócono na nie uwagę w drugiej połowie XVIII wieku, a do dnia dzisiejszego opisano już ponad tysiac gatunków niesporczaków.

Łacińska nazwa Tardigrada oznacza wolnochodzący (tardus – powolny, gradi – iść, postępować). Jak można się domyślić, wynika ona z faktu, że niesporczaki prowadzą dość niespieszny tryb życia, a ich ruchy są powolne i nieco niezdarne. Jak można zauważyć na powyższym zdjęciu mikroskopowym, zaopatrzone są w 4 pary odnóży. Ich otwór gębowy pokryty jest szczecinkami oraz brodawkami czuciowymi, a niektóre gatunki szczycą się nawet posiadaniem pary oczu. Ich ciało pokryte jest delikatnym przezroczystym oskórkiem, który musi być okresowo zmieniany w procesie zwanym linieniem, ponieważ nie rośnie wraz z jego właścicielem.

Odporne niemal na wszystko

Tym, co fascynuje nas najbardziej w tych niepozornych stworzeniach, jest ich zdolność do przeżywania po ekspozycji na ekstremalne czynniki środowiskowe. Niesporczaki potrafią przetrwać kilka minut w temperaturze 150ᵒC, w przypadku niskich temperatur radzą sobie nawet lepiej – w temperaturze -200ᵒC przeżyją kilka dni. Świetnie radzą sobie w próżni i za nic mają sobie ciśnienie 1200 razy wyższe niż atmosferyczne. Zanurzanie w kwasie, we wrzącym alkoholu, kąpiel w ciekłym helu, a może inhalacja z siarkowodoru? Dla niesporczaka to jedynie drobna niedogodność. Już w 2008 roku badania Europejskiej Agencji Kosmicznej wykazały, że te niepozorne stworzenia są w stanie przetrwać w przestrzeni kosmicznej. Natomiast od momentu nieudanego lądowania bezzałogowej sondy Beresheet na Księżycu w kwietniu 2019 roku, naukowcy zadają sobie pytanie – jeśli wodne niedźwiedzie przeżyły eksplozję sondy, to czy nadal żyją na powierzchni naszego satelity?

Wszystkie te niesamowite właściwości wynikają z faktu, że nieporczaki potrafią przejść w stadium kryptobiozy , czyli w stan życia utajonego. To właśnie w takiej postaci są „niezniszczalne”. Kiedy w środowisku zaczyna brakować wody, zwierzęta znacznie się kurczą, otorbiają i wciągają „łapki” w głąb ciała. Przestają pobierać substancje pokarmowe, a ich metabolizm znacząco zwalnia. Co ciekawe, spowolnienie jest na tyle istotne, że niesporczaki w tym stanie praktycznie się nie starzeją. Mogą w takim uśpieniu spoczywać dekady, odnotowano nawet przypadki, w których wodne niedźwiadki w stanie kryptobiozy przebywały 120 lat . W celu przywrócenia normalnych czynności życiowych, niesporczakom potrzebna jest jedynie mała kropla wody.

Ochronne białko

W 2017 roku Hashimoto i Kunieda badali mechanizmy radiooporności, które pozwalają przetrwać niesporczakom ekspozycję na znaczne dawki promieniowania jonizującego. W zależności od gatunku, zwierzęta przeżywały dawki aż od 1200 do 10000 Gy! Warto dla skali porównawczej zaznaczyć, że dawka śmiertelna dla bakterii Escherichia coli wynosi od 50 do kilkuset Gy . Nie zapominajmy jednak o tym, że bakterie cechują się znacznie prostszą budową niż organizmy wielokomórkowe i generalnie przeżywają dużo większe dawki promieniowania jonizującego. W przypadku myszy, dawka śmiertelna wynosi już tylko 7 Gy, a dla człowieka – 4 Gy.

Promieniowanie jonizujące uszkadza DNA w sposób bezpośredni, powodując pęknięcia, lub pośredni, przyczyniając się do jonizacji cząsteczek wody. Ten proces cechuje się produkcją dużej ilości reaktywnych form tlenu (ang. ROS – reactive oxygen spiecies), które działają jak petardy z odpalonym lontem – niszczą każdą cząsteczkę na swojej drodze. Szczególnie wrażliwa na ich działanie jest właśnie cząsteczka DNA. Oczywiście nasze komórki są wyposażone w mechanizmy, które owe uszkodzenia są w stanie naprawić, jednak im większa dawka promieniowania, tym uszkodzeń jest więcej, a mechanizmy przestają być wydajne. Komórka z tak zniszczonym DNA nie jest w stanie dalej funkcjonować i umiera.

Co ciekawe, nie tylko promieniowanie jonizujące przyczynia się do znacznych uszkodzeń w DNA. Proces, w którym to niesporczaki „wysuszają” się, żeby przetrwać nieprzychylne dla siebie bezwodne czasy – dehydratacja – również powoduje uszczerbki w materiale genetycznym. Mowa tu o innych zwierzętach, które taki proces potrafią przeprowadzić. Nie zapominajmy, że niesporczaki nieco wymykają się poza ogólnoprzyjętą skalę rozumowania. Jeśli przytoczymy przykład larwy muchówki Polypedilum vanderplanki, po dehydratacji aż 40-50% jej materiału genetycznego ulega fragmentacji. Niesporczak z gatunku Milnesium tardigradum natomiast, badany w tych samych warunkach, cechuje się zniszczeniem DNA na poziomie… 2%. Takie obserwacje doprowadziły naukowców do hipotezy, że musi istnieć mechanizm, który niesporczakowy materiał genetyczny chroni niczym tarcza.

Białko, które za tym wszystkim stoi, nazwano Dsup (ang. Damage suppressor) . Zostało one odkryte dzięki sekwencjonowaniu genomu najbardziej radioopornego niesporczaka z gatunku Ramazzottius varieornatus. Pełni ono rolę fizycznej ochrony DNA przed promieniowaniem jonizującym i szkodliwym działaniem reaktywnych form tlenu. Następnie naukowcy posunęli się krok dalej i włączyli białko Dsup do genomu komórek w hodowli in vitro (linia komórkowa ludzkich komórek embrionalnych nerki HEK293T). Co ciekawe, w tym przypadku również działało ono jako tarcza ochronna wobec szkodliwych efektów promieniowania.

Jak działa ochronna tarcza?

1 października 2019 roku zespół Kadonaga opublikował artykuł, w którym skrupulatnie wyjaśniono molekularną podstawę ochronnego działania białka Dsup. Naukowcy potwierdzili wcześniejsze przypuszczenia dotyczące wiązania się białka z nukleosomem . Białko owija się wokół DNA jak puszysta kołdra i w ten sposób chroni tę cząsteczkę przed niszczącym działaniem reaktywnych form tlenu. Według naukowców, Dsup łączy się konkretnie z histonem H1, oczywiście u niesporczaków. Wyjaśnia to mechanizm jego działania również w ludzkich komórkach, po eksperymencie z wprowadzeniem tego genu do linii komórkowych, gdyż wszyscy cechujemy się obecnością tego histonu w naszym DNA.

Budowa nukleosomu
Rys. 2 Budowa nukleosomu. W środku znajdują się białka histonowe, tworzące rdzeń. Na zewnątrz nawinięta jest nić DNA. Fragment zbudowany z 8 białek histonowych i stabilizującego histonu H1 wraz z nawiniętą nań nicią DNA, nazywamy nukleosomem.
Źródło: https://en.wikipedia.org/wiki/Nucleosome

Zadziwiającym było odkrycie, że białko Dsup zawiera w swojej budowie region, który jest nadzwyczaj podobny tego, występującego w białkach HMGN (ang. High Mobility Group Nucleosome-binding proteins). Jest to grupa białek, które występują jedynie u kręgowców i pełną ważną fukcję w przypadku takich procesów jak replikacja , transkrypcja , czy naprawa DNA. Biorąc pod uwagę fakt, że niesporczaki to zwierzęta bezkręgowe, wielką zagadką jest obecność charakterystycznego regionu w strukturze białka tak prostych organizmów jak wodne niedźwiadki.

Zagadka na koniec

Mimo, że niesporczaki tak fascynują naukowców na całym świecie, nadal pozostaje wiele zagadnień, których wyjaśnienia są wciąż jedynie w sferze domysłów. Jeden z gatunków tych niezwykłych zwierząt, Hypsibius exemplaris, cechuje się na przykład brakiem wcześniej opisanego ochronnego białka. Jednak zespół Kadonaga odkrył, że owszem, może białko Dsup u tych osobników nie występuje, radzą sobie one jednak inaczej: syntetyzują inne ochronne białko! Budową znacznie różni się od Dsup, wykazuje jednak dokładnie takie same ochronne właściwości. Naukowcy wysnuli hipotezę, że niesporczaki wykształciły ten mechanizm ochrony na drodze ewolucji jako doskonały sposób na przeżycie stanu dehydratacji. Zatem kto wie, może te obdarzone supermocami zwierzątka jako jedyne przetrwają szóste wielkie wymieranie gatunków?

 

 

 

Podziel się: