В новом исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые из Морской биологической лаборатории (MBL) и их соавторы изучили, как жизнь в таких холодных условиях изменила фермент, необходимый для функционирования нервной системы одного из животных — осьминога, обитающего в приполярных районах Южного океана. Их работа посвящена изучению одного из многочисленных способов адаптации живых существ к экстремальным условиям окружающей среды.

Мы детально рассмотрели очень важный для нервной системы фермент — натрий-калиевый насос — и задались вопросом: «Где мы видим большинство таких мест адаптации?» — говорит Джошуа Розенталь, старший научный сотрудник MBL.

Проблема жизни в холоде

Температура имеет значение для жизни, в частности, потому, что ферментам, запускающим всевозможные биохимические реакции в организме, для работы необходима тепловая энергия, которая проявляется в виде тепла. При понижении температуры активность ферментов замедляется и в конце концов прекращается.

Если некоторые животные, в том числе и люди, способны нагревать свое тело, то осьминоги лишены такой возможности. Тем не менее, эти восьмирукие существа нашли способ обитать в водах Антарктики, где холод снижает скорость ферментативных реакций в 30 раз. Особенно уязвима нервная система, поскольку для передачи и приема электрических сигналов требуется множество тщательно скоординированных реакций.

Когда все они замедляются до такой степени, возникает большой вопрос: как они адаптируются? — говорит Розенталь.

Ученые уже изучали холодовую адаптацию многих белков, но в основном не обращали внимания на белки, встроенные в мембрану, окружающую клетки. Мембранные белки выполняют множество функций, в том числе перемещают ионы в клетки и из них. Белок, находящийся в центре нового исследования, Na+/K±АТФаза, выводит ионы натрия из клеток и вводит калий, создавая разность электрических потенциалов, которая используется нейронами в качестве источника энергии для коммуникации.

Поиск изменений, которые имеют наибольшее значение

В ходе предыдущих исследований команда, в которую входят Розенталь и Мигель Холмгрен, биофизик мембранных белков из Национального института неврологических расстройств и инсульта США и давний летний исследователь Уитмен в MBL, обнаружила, что холод замедляет работу натрий-калиевых насосов антарктического осьминога, представителя рода Pareledone, гораздо меньше, чем у двухпятнистого осьминога (Octopus bimaculatus), обитающего в умеренных водах, например, у побережья Калифорнии.

Чтобы определить различия между насосами, специалисты изучили входящие в их состав строительные блоки, известные как аминокислоты. Несмотря на то, что они в основном идентичны, были обнаружены некоторые места, где аминокислоты различались. Чтобы определить, какие из этих изменений наиболее влиятельны, они поменяли их местами в насосах и проверили эффект. Сначала в насос умеренного климата добавили уникальные антарктические аминокислоты, чтобы определить, какие из них обеспечивают холодоустойчивость, а затем удалили эти антарктические изменения, чтобы вернуть насос в состояние умеренного климата, уязвимого к холоду. Таким образом, наиболее важные различия были сведены к трем, которые в совокупности позволяли насосу быстро работать при температурах, близких к нулю.

Одно из них, названное L314V, дало наибольший эффект. Замена этой аминокислоты с лейцина антарктического насоса на валин из умеренного климата привела к исчезновению вновь обретенной холодоустойчивости.

Тема для адаптаций к холоду

Составив карту расположения L314V и двух других изменений в структуре насоса, исследователи обнаружили, что они расположены на краю, обращенном к жирной мембране. В случае с L314V исследователи полагают, что изменение этой аминокислоты изменяет характер движения этой части насоса относительно мембраны, возможно, уменьшая сопротивление, что позволяет насосу работать быстрее.

Для нас вполне логично, что местом такой адаптации может быть граница между белком и мембраной, — говорит Холмгрен.

Как только мы изучим больше мембранных белков, я думаю, мы увидим больше подобных примеров.