En kur mod den almindelige forkølelse

Af Tom McKeag

Da Arthur DeVries ankom til McMurdo Station i 1961, var han frisk fra Stanford University, hvor han havde tilmeldt sig en 13-måneders stint for at studere respiratorisk metabolisme af de endemiske Notothenioidfisk, der findes i McMurdo Sound, Antarktis. Notothenioider er Antarktisk isfisk, en underordnet rækkefølge af Perciformes. Denne rækkefølge er den mest rækkefølge af hvirveldyr i verden og inkluderer aborre, cichlider og havabbor. Fem familier af notothenioidfisk dominerer det sydlige Ocean og udgør over 90 procent af fiskens biomasse i regionen. De er en vigtig del af et helt økosystem, men det økosystem ville ikke eksistere i dets robuste form, hvis de ikke havde udviklet en måde at slå den ekstreme kulde i disse polare farvande på. DeVries ville til sidst finde ud af, hvordan.

McMurdo-stationen er på den sydlige spids af Ross Island, den største af tre amerikanske videnskabelige installationer i Antarktis. McMurdo blev oprettet i 1958 og havde alle funktioner i enhver arbejdslejr i udkanten af ​​rå natur med få udsmykninger ud over generatorer, forsyningspaller og Quonset-hytter. Forskningssamfundet der eksisterede i troskab mod klimaet snarere end på grund af det: ekstreme temperaturer er registreret så lave som minus 50 grader celsius og gennemsnitlige årlige temperaturer ligger på minus 18 grader celsius.

Isfisk ved kysten af ​​Antarktis af Wikimedia Commons

På trods af forholdene trivedes De Vries i den tætstrikkede akademiske atmosfære og det robuste feltarbejde med fangst, strømpe og analyse af fisk. Udfordringerne ved hans midlertidige job der ville imidlertid føre ham uventet til en banebrydende opdagelse og en levetid på polarvidenskab. Nogle af de fisk, han fangede og indeholdt i tanke, døde, mens andre ikke var det. Hans iver efter at løse sit problem og hans nysgerrighed efter at finde dens årsager ville føre til en hel gren af ​​forskning. Da han fortalte Scientia Publications,

”Under disse eksperimenter bemærkede jeg, at en dyb vand Notothenioid fisk ville fryse til døden, hvis der var nogen is i vores afkølede saltvand, mens de fanget i det lavt vand overlevede i nærværelse af is. Jeg besluttede at undersøge, hvorfor der var en forskel i disse arter, der lever i vand med samme temperatur (-1,9 ° C) til min ph.d.-afhandling på Stanford. Jeg undersøgte, hvilke forbindelser der var ansvarlige for deres evne til at undgå frysning i dette miljø, mens fisker i tempereret farvande ville fryse til døden ved -0,8 ° C. Min undersøgelse kulminerede med opdagelsen af ​​frostvæske-glycoproteiner, de forbindelser, der er ansvarlige for deres ekstreme fryseundgåelse. ”

Den Antarktiske isfisk, DeVries studerede, er i en speciel klub af organismer med evnen til at leve ved ekstreme temperaturer ved lav temperatur. Nogle af disse organismer, som den nordamerikanske træfrø, er i stand til at komme sig efter frysning, og nogle, ligesom isfisken, overlever ved at undgå at blive frosset. Et stort udvalg af skabninger fra insekter til kiselalager til svampe og bakterier er også i denne gruppe, der bruger såkaldte isbindende proteiner (IBP) til at overleve. De bruger en af ​​fem generelle mekanismer til dette: producerer frostvæske; strukturering af is, hvor for eksempel en alge vil skabe en mere moderat flydende lomme inden i is; vedhæftning til is, som visse bakterier gør; nuklearende is; og inhibering af iskrystallisation. Omkrystallisering er konsolidering af små iskrystaller til større, da de tiltrækkes af hydrogenbinding i en kaskadeeffekt.

McMurdo Sound havis af Bruce McKinlay, Flickr cc

Isfisken har udviklet den første strategi om at skabe deres egen frostvæske. Anti-fryseproteiner (AFP) kan defineres som ethvert is-bindende proteiner, der trykker ned hysteresefrysepunktet under hysteresens smeltepunkt og derved skaber et "termisk hysteresegap". De er typisk alpha helix glycoproteins også kendt som frostvæske glycoproteins (AFGP) eller termiske hystereseproteiner (THP). Termisk hysterese er adskillelsen af ​​frysepunktet og smeltetemperaturerne. Fiskene er i stand til at sænke det punkt, hvor vandet inde i dem fryser, mens det punkt, hvor det smelter, forbliver det samme (mere om overraskende udviklinger herom senere). For at forstå, hvordan dette fungerer, kræver det en kort diskussion af selve vandet.

Vand er det universelle medium på jorden med unikke egenskaber, der er essentielle for en lang række levelige forhold og er en kritisk del af selve levende ting. Intet andet almindeligt materiale findes naturligt på vores planet i alle tre faser, flydende, fast stof og gas. Stærke kovalente bindinger holder ilt og brintatomer sammen i et enkelt molekyle, men svagere brintbindinger forbinder vandmolekyler til hinanden. Den polære natur af molekylet, med ilt negativt og brint positivt, giver det mulighed for at binde let til andre molekyler, hvilket giver et fremragende og universelt opløsningsmiddel. Vand har en høj termisk kapacitet, som kan beskrives som en modstand mod at ændre temperaturer på trods af sine omgivelser. Dette skaber en vigtig modererende indflydelse på klimaet i mange skalaer. Det er blevet anslået, at vores oceaner kan absorbere tusind gange varmen som vores atmosfære uden væsentligt at ændre temperaturen. Det meste af den øgede varme fra den globale klimaforandring er for eksempel blevet optaget af jordens oceaner.

Når vandet bliver koldere, følger dens densitet en forudsigelig materialetendens, hvor den vokser tættere med hvert fald i temperaturen, indtil 4 grader C. Når vandet vender sig til is bliver det lettere, mindre tæt (ca. 9%), når brintatomerne knytter sig til en krystalgitterstruktur. Denne egenskab gør det muligt for is at flyde oven på dens tættere flydende fase, hvilket gør overvintrende akvatiske liv muligt rundt omkring i kloden, også i Antarktis. Udvidelse af vand i skiftet fra væske til fast fase kan også være en stærk forstyrrende kraft; i stand til at opdele granit.

Denne kraft kan være lige så belastende på det intracellulære og cellulære niveau. Udvidelse af fast vand inde i cellerne kan få dem til at sprænge, ​​og frysningen af ​​de intercellulære rum forårsager vandtab og opbygning af ion og metabolit, når der dannes is. Denne vandubalance giver en væskestrøm ud af cellerne og ind i mellemrummene. Dette kan føre til en toksisk koncentration af ioner i cellen eller et betydeligt tab af trykmodstand og celle kollaps.

En række organismer på tværs af kongeriger har tilpasset sig temperaturer, der fryser vand: planter, gær, bakterier og dyr som fisk og insekter. De bruger forskellige stratagemer, men alle skal leve efter de fysiske regler i deres miljøer, især vandets egenskaber.

Når salt opløses i vand, sænker det frysepunktet. Havvand har derfor lidt andre egenskaber end frisk, da de opløste salte (3,5% for typisk havvand) sænker frysepunktet til minus 1,9 grader C. Dette kaldes frysepunktdepression og er et almindeligt udviklet stratagem for mange kolde beboere eller psykrofiler. . De Vries indså, at frysepunktdepressionen udvist i hans overlevende fladvandsfisk ikke kun kunne forklares med almindelige kropssalte i fiskens serum. Han udtænkte en række eksperimenter for at differentiere den kemiske sammensætning af hans to typer fisk og isolerede de glycoproteiner, der var nøglen til hans opdagelse. Proteinerne bundede sig til iskrystaller i fiskens blod og forhindrede dem i at vokse. Dette kombineret med kropssalte gav fiskene mulighed for at opretholde flydende blod på minus 2,5 grader C.

McMurdo Station af Bruce McKinlay, Flickr cc

Hvad han og hans kolleger til sidst fandt ud af, var, at disse glycoproteiner var bindende til iskrystaller uigenkaldeligt i en proces, som de kaldte adsorptionsinhibering (DeVries og Raymond, 1977). Dette er en såkaldt “step pinning” -proces, hvor afgørende fysiske sekvenser, der er nødvendige til frysning, afbrydes eller begrænses. I dette tilfælde var AFP'erne bindende til små begynnende iskrystaller og tvang isdannelse til mindre rum mellem adsorptionssteder, hvorved isgitterets vækstfront bøjedes ind i en kurve. Dette skabte en højere overfladefri energi og sænkede effektivt frysepunktet i et fænomen kaldet Gibbs-Thomson-effekten.

AFP'er er typisk små sammensatte proteiner med en excentrisk belastning af aminosyren threonin. Threonin har en hydrofil overflade, som vandmolekyler fastgør svagt til. Denne adsorption forhindrer mikrokrystallerne i at samles sammen i større krystaller og holder vandet i flydende tilstand.

Det ser ud til, at disse små iskrystaller forbliver i fisken i deres levetid, men dette undersøges stadig. Selvom der ikke er noget, der tyder på, at fiskene påvirkes negativt af året rundt om tilstedeværelsen af ​​krystaller, mener DeVries, at de skal have en mekanisme til at annullere dem. En overraskende nylig opdagelse har været, at tilstedeværelsen af ​​AFP'erne får krystallerne til at modstå smeltning; højere temperaturer er nødvendige for at smelte dem samt lavere temperaturer er nødvendige for at danne dem.

Hvad der ifølge DeVries ikke er kendt, er netop, hvordan disse proteiner er i stand til at genkende fastfase-vandmolekyler i dette flydende miljø og fortrinsvis binde til dem. Hvordan de forhindrer vækst undersøges også stadig, idet adsorptionsinhiberingsmodellen stadig er åben for debat og forfining. Ikke desto mindre er der ingen tilbagevenden til dette som en vellykket overlevelsesstrategi. Det er faktisk et eksempel på konvergens, ofte en indikator, hvis ikke en garanti, for effektive og holdbare løsninger i naturen. To genetisk forskellige fiskebestande, en i Arktis (den arktiske torsk) og en i Antarktis (Notothenioider), har udviklet disse teknikker.

Opdagelsen af ​​disse fryseproteiner kan have berørt en hel forskningsindustri i deres evner, men fungerer de så godt som deres kommercielle navnebror? Det ser ud til, at de gør det faktisk meget bedre af en størrelsesorden. Årsagen er den selektivitet, de udviser ved fastgørelse til de små iskrystaller. Ethylenglykol, den grønne væske, der typisk bruges i bilradiatorer, fungerer ved masseaktionseffekt og forstyrrer hydrogenbinding ved den kemiske ækvivalent af tæppebombning. Selvom det ikke er vedvarende, er kemikaliet en moderat giftig gift. Ved indtagelse omdannes den til oxalsyre af ethanolhydrogenase. Oxalsyre er meget giftig og påvirker det centrale nervesystem, hjerte, lunger og nyrer. Det er ansvarligt for titusinder af dyreforgiftninger og tusinder af menneskelige forgiftninger hvert år. Ethylenglycol er blevet påvist som et udviklings toksisk stof i højere doser hos rotter.

Laven, Xanthoria elegans kan fortsætte med at fotosyntetisere ved -24 ° c. Foto af Jason Hollinger

Propylenglycol med metalnanopartikler er udviklet som et sikrere alternativ til ethylenglycol, men mangler effektiviteten af ​​AFP'erne. Det er dog billigere, let tilgængeligt og bruger et materiale, der allerede er ansat i fødevareindustrien og godkendt af FDA.

På trods af årtier med forskning i mekanismen for disse proteiner er industriens anvendelser fortsat få, med proteiner fra den arktiske trutfisk, der bruges i is til at forhindre omkrystallisering, og AFP'er og væksthormoner introduceres til transgen opdrættet laks til koldt vejrhårdhed og øget vækst. Det er imidlertid på det biomedicinske område, hvor brugen af ​​disse proteiner lover de mest fordele og udfordringer.

Transport og transplantation af organer, konservering af menneskelige kroppe til fremtidens mirakler i medicin (kryonik) og udførelse af kirurgi er alle bestræbelser, hvor AFP'er kunne spille en revolutionerende rolle. Enkeltceller, som sæd og æg, fryses og opbevares rutinemæssigt, men større væv er vanskeligere at bevare. AFP'er er blevet brugt med succes til at bevare rotte- og svinehjerter under minusgrader. I et eksperiment fjernede forskerne et rottehjerte, konserverede det i sterilt vand og AFP'er ved minus 1,3 grader C i 24 timer og transplanterede derefter det opvarmede (ikke-pumpende) hjerte til en ny rotte.

På trods af disse tidlige succeser og AFP's store løfte, hænger teknologien til at bevare menneskelige organer langt bagefter den medicinske efterspørgsel. Det amerikanske ministerium for sundhed og menneskelige tjenester estimerer, at cirka 21 patienter om dagen dør og venter på et organ, der ikke er tilgængeligt. Lungerne forbliver brugbare i kun tolv timer og hjerter kun fire eller fem ved hjælp af de nuværende teknikker. Toksiciteten af ​​kryobeskyttelsesmidler og de forstyrrende virkninger af optøning er to af de mest udfordrende problemer. Selvom forglasning er en effektiv teknik til hurtig frysning af organer til en glastilstand, er de fleste teknikker afhængige af at pumpe cellerne fulde af giftige kemikalier, og det er i optøningen, hvor skaden er mest alvorlig. Forskellig opvarmning medfører splintering og brud på materiale, der udsættes for modstridende kræfter. Et team af University of Minnesota arbejder imidlertid på en metode til at bruge nanopartikler til forsigtigt og ensartet opvarmning af organer tilbage til levende temperaturer. De magnetiske nanopartikler er begejstrede for aktivitet (og varme) af radiobølger i en proces, som teamet kalder "nanowarming", og teknikken er blevet brugt med succes på klynger af celler.

Andre forskerteam søger andre steder i naturen efter endnu mere effektive fryseforbindelser. Den ene er en glycolipid, der findes i en frysetolerant Alaskan-bille, Upis ceramboider, som gør det muligt for insektet at udholde temperaturer på minus 60 grader C og stadig komme sig. Cell and Tissue Systems i South Carolina anvender det med succes i konservering af væv i dage ved temperaturer under nul uden forringelse, ifølge virksomheden. Glycolipidet ser ud til at beklæde cellens membran, panser den mod ekstern is og forsegler den mod det osmotiske træk af væske fra cellen.

Uanset om man bruger et protein eller en glycolipid, sænker frysetemperaturer eller holder ud med at være frosset, pumpe sig selv fuld af kryobeskyttelsesmidler, forsegle sig eller tørre sig ud, har naturens organismer på alle domæner lever med den usædvanlige kulde. Det er stadig op til menneskelige forskere fuldt ud at låse op for disse hemmeligheder og anvende dem til bedre bevarelse af livet.

Oprindeligt udgivet på Zygote kvartalsvis.