Badania pokazały, skąd niesporczaki, najbardziej odporne organizmy na świecie, biorą swoją niezłomność. Przyda się to w przyszłości w medycynie, inżynierii roślin, a nawet w podróżach kosmicznych
Niesporczaki, niewielkie bezkręgowce (długość ciała waha się od 0,01 do 1,2 mm), są uważane za najbrzydsze zwierzęta na świecie. Ich ciało ma kształt walcowaty, ze słabo wyodrębnioną głową i czterema parami odnóży, zakończonych pazurkami lub przylgami. Zwane niekiedy wodnymi niedźwiedziami stworzenia są przezroczyste i bezbarwne, a jeśli są zabarwione, wynika to z koloru pokarmu, jaki spożywają.
Kosmiczni twardziele z Ziemi
A jakiś komplement? Przyroda nie zna bardziej odpornych na warunki zewnętrzne organizmów. Mogą przetrwać w temperaturach od zera absolutnego do 150 stopni Celsjusza. Znoszą promieniowanie jonizujące o tysiąckrotnie większym natężeniu niż jakiekolwiek inne zwierzę.. Wytrzymują ciśnienie 1200 atmosfer (takie panuje na dnie Rowu Mariańskiego), pociągną ponad 10 lat bez wody, są również w stanie znieść niezwykłe stężenia soli.
Przetrwały nawet w próżni kosmicznej w trakcie eksperymentu szwedzkich i niemieckich naukowców. We wrześniu 2007 r. w ramach misji FOTON-M3 Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) wyniesiono w kosmos wysuszone osobniki dwóch gatunków niesporczaka. Przez 10 dni bezkręgowce krążyły po niskiej orbicie ziemskiej na wysokości 258-281 km nad poziomem morza. Po powrocie na Ziemię i nawodnieniu funkcjonowały prawidłowo.
Znanych jest ponad tysiąc gatunków niesporczaków. Zaliczane są do pierwoustych, które opanowały rozmaite siedliska, głównie wodne lub wilgotne (np. mech). Prawdopodobnie, jeśli na Ziemi wyginie życie, przetrwają wyłącznie te szkaradne stworzenia. Czy natura tym właśnie wynagrodziła im ohydny wygląd?
Naukowcy wciąż badają, w czym dokładnie tkwi tajemnica niezwykłej odporności niesporczaków.
Superkomputer na superstworzenie
Z grubsza: pod wpływem stresu środowiskowego, jak odwodnienie lub ekstremalne temperatury, wprowadzają się w stan tzw. kryptobiozy, czyli spowolnienia metabolizmu prawie do zera. W większości innych organizmów tego rodzaju stres niszczy DNA w komórkach. Ale niesporczaki mają białko hamujące uszkodzenia (Dsup – Damage suppression protein), które w jakiś sposób osłania DNA.
Już kilka lat temu odkryto, że unikalne białka zapobiegające uszkodzeniom niesporczaków to tak zwane białka wewnętrznie nieuporządkowane (IDP, intrinsically disordered protein). Przyjmują one różne stany w odpowiedzi na zmiany środowiskowe lub ze względu na interakcje z różnorodnymi partnerami (innymi białkami, kwasami nukleinowymi, błonami czy małymi cząsteczkami). Kiedy zwierzę całkowicie wysycha, IDP ulegają zeszkleniu, zamieniając płyn cytoplazmatyczny komórek w szklistą materię. W ub. roku dzięki analizie biochemicznej zespół Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego odkrył, że Dsup niesporczaków wiąże się z chromatyną – włóknistą substancją znajdującą się w komórkach zbudowaną częściowo z DNA, tworząc barierę ochronną, która zapobiega uszkodzeniu komórek. Tak zbudowana tarcza chroni DNA przed rodnikami, wytwarzanymi przez promieniowanie rentgenowskie. Dotychczasowe badania Dsup sugerowały, że białko może fizycznie chronić DNA, dosłownie otulając je i działając jak ochronna powłoka.
Hiszpańscy badacze postanowili sprawdzić jeszcze dokładniej, w czym tkwi tajemnica nadprzyrodzonych sił witalnych niesporczaków. Sekret postanowili rozwiązać naukowcy z Centrum Biotechnologii i Genomiki Roślin w Madrycie.
Czy naukowcami kierowała czysta ciekawość i sympatia (lub antypatia) do tych niezwykłych stworzeń? Raczej nie – te badania mogą mieć bardzo praktyczny wymiar
Musieli zejść aż do poziomu atomowego, w czym pomógł im superkomputer Magerit-3 z Politechniki w Madrycie. Marina Mínguez-Toral i jej współpracownicy przeprowadzili symulację interakcji między Dsup i DNA, która wyjaśnia mechanizm obronny.
Zespół stworzył model systemu dwóch cząsteczek Dsup i DNA, składającego się z ponad 750 tysięcy atomów – to zadanie zajęło sporo czasu nawet superkomputerowi. „Równania muszą zostać rozwiązane dla każdego z tych atomów 50 milionów razy, aby uzyskać symulację trwającą 100 nanosekund” – wyjaśniła Mínguez-Toral w rozmowie z New Scientist.
Modelowanie wszystkich atomów w białku i wszystkich ich oddziaływań elektrostatycznych pokazuje, że białko chroniące DNA niesporczaków jest wysoce elastyczne. Dynamikę zmian strukturalnych Dsup w jego współdziałaniu z DNA determinują efekty elektryczne leżące u podstaw przyciągania ładunków dodatnio-ujemnych. Naukowcy odkryli, że Dsup i DNA są elektrostatycznie komplementarne: pola elektryczne cząsteczek (Dsup i DNA) nie odpychają się nawzajem. Uważają, że „ekranowanie elektryczne” ma kluczowe znaczenie dla ochrony DNA przed promieniowaniem. „Obraz, który wyłania się z naszych wyników, jest taki, że wewnętrzne zaburzenie Dsup i silne przyciąganie elektrostatyczne między białkiem a DNA napędzają tworzenie się elastycznych agregatów, w których Dsup i DNA są ściśle powiązane. Można spekulować, że Dsup powinien chronić DNA przed promieniowaniem i uszkodzeniami, zapewniając nie tylko wsparcie strukturalne, ale także ekranowanie elektryczne” – opisują badacze.
Spore pożytki z niesporczaków
Czy naukowcami kierowała czysta ciekawość i sympatia (lub antypatia) do tych niezwykłych stworzeń? Raczej nie – te badania mogą mieć bardzo praktyczny wymiar.
Na horyzoncie są bowiem zastosowania w farmaceutyce, inżynierii roślin odpornych na stres, w leczeniu raka, np. w ochronie zdrowych komórek przed zgubnym wpływem wyniszczającej radioterapii. Gdy eksperymentalnie ludzkie komórki nerki zostały genetycznie zmodyfikowane w celu ekspresji Dsup z niesporczaków, wykazały zmniejszenie o 40 do 50 procent uszkodzeń DNA spowodowanych promieniami rentgenowskimi.
Z umiejętności niesporczaków do kryptobiozy chce skorzystać również wojsko. Pracują nad tym amerykańscy naukowcy w projekcie Biostasis, które zleciła Amerykańska Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obszarze Obronności (DARPA).
Badania prowadzą obecnie cztery zespoły, w tym w laboratorium biologii syntetycznej Uniwersytetu Harvarda. Zespół prof. Pameli Silver otrzymał ponad 14 milionów dolarów na wynalezienie sposobu spowolnienia procesów metabolicznych człowieka, aby zraniony żołnierz czy poszkodowany cywil mógł doczekać się skutecznej interwencji medycznej. Pierwsze minuty od wystąpienia pierwszych objawów czy doznania urazu do zastosowania leczenia są często czynnikiem decydującym o uratowaniu życia. To okno czasowe jest nazywane „złotą godziną”. Takie rozwiązanie może ocalić życie tysiącom osób na całym świecie.
Dr Silver określa badania mianem jednych z najbardziej zwariowanych, z jakimi miała do czynienia. Stara się opracować syntetyczną wersję białka Dsup do stosowania u ludzi. Współpracuje z profesorem nadzwyczajnym biologii systemów Deborą Marks, biologiem komputerowym, która opracowuje specjalny algorytm uczenia maszynowego. Ma pomóc wskazać syntetyczne białka, które mogłyby działać w ludzkich tkankach.
To nie wszystko. W kontekście niezwykłych właściwości niesporczaków jest mowa o modyfikacji ludzkiego DNA do celów hibernacji i dalekich podróży kosmicznych. Taka odporność na promieniowanie może się ludziom przydać w trakcie wyprawy na Marsa.