Как тихоходки выживают без воды

Тихоходка Hypsibius dujardini — дикая, но симпатичная. Источник: Goldstein Lab.
Тихоходка Hypsibius dujardini. Источник: Goldstein Lab.

Микроскопические тихоходки славятся потрясающей живучестью. Они благополучно переносят экстремальные температуры, высушивание, пребывание в вакууме и космическую радиацию. Как им это удаётся, оставалось загадкой больше 250 лет. Группа учёных из Италии и США продемонстрировала, что тихоходки приобрели устойчивость к высыханию благодаря специальным белкам, которые переходят в стеклообразное состояние и защищают клетки от повреждений. Результаты исследования опубликованы в журнале Molecular Cell.

Тихоходки (лат. Tardigrada) — водные животные. Они живут в морях, пресных водоёмах, горячих источниках или в сырых местах на суше. Первооткрыватель вида зоолог Иоганн Гёце (нем. Johann August Ephraim Goeze) назвал тихоходок «маленькими водяными медведями». Если их среда обитания высыхает, они впадают в анабиоз и могут пребывать в таком состоянии десятки лет. Когда неблагоприятный период заканчивается, животные впитывают воду и возвращаются к жизни.

Tardigrada — не единственные, организмы, способные выжить без воды. Черви, грибки и комары тоже могут переносить засуху, впадая в «спячку». Некоторые виды выживают благодаря трегалозе — углеводу, который защищает клетки от разрушения. Однако у тихоходок его то ли мало, то ли вовсе нет — исследования противоречат друг другу. Поэтому учёные предположили, что «водяные медведи» приобретают устойчивость к высыханию за счёт какого-то другого вещества.

Они проанализировали геном тихоходок Hypsibius dujardini, которые находились в процессе высыхания, и обнаружили гены, кодирующие ранее неизвестные белки. Их назвали «характерными для тихоходок внутренними разупорядоченными белками» («tardigrade-specific intrinsically disordered protein»), сокращённо — TDP. Чем больше TDP вырабатывается в организме животного, тем быстрее оно переходит в состояние анабиоза. Если «отключить» гены, ответственные за синтез белка, тихоходка не может пережить высушивание и погибает.

Затем учёные встроили эти гены в геном дрожжей и подвергли микроорганизмы высушиванию. Оказалось, что в отсутствие воды белки переходят из жидкого в стеклообразное состояние. Вот как это описал ведущий автор исследования, биолог Томас Бутби (Thomas Boothby), в письме изданию Ars Technica:

«Мы думаем, что происходит вот что: пока тихоходки высыхают, они в больших количествах синтезируют эти разупорядоченные белки. Белки наполняют цитоплазму и по мере высыхания образуют стеклообразную матрицу внутри клеток. Все чувствительные к высыханию компоненты (белки, нуклеиновые кислоты, мембраны) в клетках тихоходки оказываются в порах матрицы — можно сказать, что их обволакивает защитная стеклообразная оболочка. Эта инкапсуляция предотвращает развёртывание, разрыв, повреждение и/или агрегацию чувствительного к высыханию биологического материала. Когда в систему снова попадает вода, разупорядоченные белки, из которых состоит стеклообразная матрица, снова образуют раствор и освобождают компоненты клетки».

Но TDP-белки — не единственный механизм выживания тихоходок. Дрожжевая культура с генами TDP-белков благополучно переносила более высокую температуру, чем её «традиционная» разновидность. Но экстремальные жару и холод микроорганизмы пережить не могли. Дрожжи не впадали в спасительное состояние анабиоза, если температура была выше или ниже температуры стеклования белков. А это значит, что у тихоходок есть и другие генетические и молекулярные способы защиты.

Учёные считают, что новое открытие пригодится во множестве областей. Например, гены, кодирующие TDP-белки можно встроить в растения. «Было бы здорово, и, очевидно, очень экономически выгодно, если бы мы могли создать культуры, которые во время засухи не умирают, а входят в состояние анабиоза, а когда засуха заканчивается, возвращаются к жизни», — говорит Бутби.

Кроме того, TDP можно добавлять в белковые лекарственные препараты. «Это позволило бы нам хранить их в сухом состоянии, в таком случае, в охлаждении не было бы необходимости», — объясняет учёный. Исследователи уже показали, что этот подход работает: они добавили TDP-белки к ферменту лактатдегидрогеназе, а затем высушили смесь. Когда через некоторое время они добавили в неё воду, фермент был так же активен, как и прежде. «Сейчас большинство лекарственных препаратов на основе белков нужно хранить и перевозить в охлаждённом виде. Это серьёзное экономическое и логистическое препятствие, особенно для отдалённых регионов и развивающихся стран. Если эти препараты можно будет хранить без охлаждения, доступ к жизненно важным лекарствам сможет получить большее количество людей», — заключает Бутби.