På bilden: Dissostichus mawsoni - en av de största företrädarna för notothenia, kan väga upp till 90 kg (foto av Chris Cheng och Paul Cziko).
Hur lyckas antarktiska fiskar inte bara att existera utan också att leva lugnt vid temperaturer nära vattenets fryspunkt? Nyfikna forskare har letat efter svaret på denna knepiga fråga i många år - en sådan "icke-frysning" skulle vara till nytta för mänskligheten. Nu beslutade amerikanska forskare att titta på roten, nämligen att studera funktionerna och generna för biologisk frostskyddsmedel. Och det nya arbetet ledde till en värdefull upptäckt
Forskare från University of Illinois åtog sig att undersöka genomet av tandfisken i Antarktis (Dissostichus mawsoni) för att ta reda på vad som bestämmer dess fantastiska uthållighet.
Fisk i underordningen Notothenioidei bor i det isiga vattnet i södra havet och står för nästan 90% av fiskbiomassan i denna region. Det är av denna anledning som genetiker valde dem som testpersoner. Temperaturen i de lokala vattnen är sådan att hela kroppen av de undervattensinvånare borde ha förvandlats till is. Detta händer dock inte. Varför?
En noggrann studie av Nototenianernas ovanliga förmågor började i huvudsak på femtiotalet av förra seklet. På 1960-talet isolerade professor Arthur DeVries vid University of Illinois först "frostskyddsproteiner" som binder iskristaller i fiskblod och förhindrar att det fryser. Organismen hos invånarna i djuphavet producerar dem av sig själv.
Det finns åtta familjer i underordningen Notothenioidei, fem av dem bor i Antarktis, lever tyst vid låga temperaturer (-2–4 ° C) och hög syrehalt (som löses bättre i kallt vatten och förvandlas till mycket reaktiva former som är skadliga för kroppsvävnader).
En grupp genetiker som leds av Devris fru Chi-Hing "Christina" Cheng satte sig för att räkna ut den genetiska grunden för extrem uthållighet.
”Detta arbete var den första fullskaliga studien av alla biologiska funktioner hos fisk som lever i otroligt kallt vatten från födsel till död”, säger Cheng.
Till att börja med tog forskarna nära kontroll över en karakteristisk representant för nontotenium - Dissostichus mawsoni. Christina och hennes kollegor ville ta reda på vilka gener som oftast uttrycks i den arktiska tandfisken. För att göra detta tog de fyra vävnadsprover: från hjärnan, äggstockarna, levern och njuren (det huvudsakliga hematopoetiska organet av fisk)
Kampanjvideo:
Observera, för två år sedan fann forskare att levern nästan inte producerar de proteiner som är nödvändiga för anpassning. Magen och exokrin bukspottkörteln fungerar mycket mer för fiskens bästa.
Först bestämde genetiker att Antarktis fisk skulle ha ett mycket effektivt uttryck för alla gener som gör det möjligt för dem att överleva vid låga temperaturer och höga syrenivåer. Även om alternativet också övervägs när specifika vävnader producerar stora mängder av vissa proteiner.
"Vi fann att i de allra flesta fall arbetar en specifik grupp av gener", säger Cheng. "Varje vävnad uttrycker alla möjliga gener, men den mycket lilla gruppen av cytoprotektiva gener uttrycks i stort antal i alla vävnader."
Därefter jämförde forskare uttrycket av gener från D. mawsoni och fisk som inte är relaterade till det och bodde i det varmare vattnet i världshavet och fann att de flesta gener som behövs av antarktiska fiskar nästan inte manifesterar sig i andra arter.
Bland de sekvenser som är ansvariga för produktionen av vissa proteiner i stora mängder (uppreglerade gener) har många gener hittats som kodar för proteiner som är ansvariga för kroppens svar på negativ miljöpåverkan. Forskare har räknat så många som 177 familjer.
I synnerhet har många chaperoner (proteiner vars huvudsakliga funktion är att återställa rätt tertiär struktur av skadade proteiner) hittats, och särskilt "värmechockproteiner" som skyddar celler från extrema temperaturer. Också närvarande var ubiquitiner, proteiner som stöder cellhälsa och markerar andra proteiner före nedbrytning.
Dessutom, i genomet av tandfisk i Antarktis, finns dessa proteiner 3 till 300 gånger oftare än i dess "motsvarigheter" i varmt vatten, vilket också ökar fiskorganismens motståndskraft mot extrema förhållanden.
För närvarande studerar forskare effekten av klimatförändringar (ökande vattentemperatur) på fiskarter i Antarktis. De måste ta reda på om D. mawsoni kan anpassa sig till nya förhållanden. När allt kommer omkring, om tandfisk från Antarktis utrotas, kommer alla livsmedelskedjor i södra oceanen att drabbas.
Läs mer om studien i universitetets pressmeddelande, i artikeln av författarna till upptäckten, publicerad i PNAS. University of Illinois har också förberett detta bildspel för informationsändamål.
Det är naturligtvis för tidigt att prata om den praktiska tillämpningen av de data som erhållits till förmån för människor. Denna forskning är mer grundläggande än tillämpad. Oavsett om forskare efter år, med hjälp av nya upptäckter, kommer att kunna skapa någon form av speciell frostskyddsmedel för mekanismer och produkter, eller (om du verkligen drömmer om det), för att förbättra förmågan att överleva vid låga temperaturer hos en person själv - ingen vet.
