Криптобиоз

Криптобиоз или анабиоз - это метаболическое состояние жизни, в которое вступает организм в ответ на неблагоприятные условия окружающей среды, такие как высыхание , замораживание и недостаток кислорода . В криптобиотическом состоянии все измеримые метаболические процессы останавливаются, предотвращая размножение , развитие и восстановление. Когда условия окружающей среды станут более благоприятными, организм вернется к своему метаболическому состоянию жизни, как это было до криптобиоза.

Формы

Ангидробиоз

"> File:Desiccation-Tolerance-in-the-Tardigrade-Richtersius-coronifer-Relies-on-Muscle-Mediated-Structural-pone.0085091.s001.ogvВоспроизвести медиа
Ангидробиоз тихоходки Richtersius coronifer

Ангидробиоз - наиболее изученная форма криптобиоза, возникающая в условиях сильного обезвоживания . Термин ангидробиоз происходит от греческого слова «жизнь без воды» и чаще всего используется для обозначения устойчивости к высыханию, наблюдаемой у некоторых беспозвоночных животных, таких как бделлоидные коловратки , тихоходки , морские креветки , нематоды и по крайней мере одно насекомое, вид хирономид ( Polypedilum vanderplanki ). Однако другие формы жизни проявляют устойчивость к высыханию. Они включают в себя восстановление завод Craterostigma plantagineum , [1] большинство семян растений, и многие микроорганизмы , такие как пекарские дрожжи . [2] Исследования показали, что некоторые ангидробиотические организмы могут выживать десятилетиями, даже столетиями в сухом состоянии. [3]

Беспозвоночные, страдающие ангидробиозом, часто сокращаются до меньшей формы, а некоторые продолжают формировать сахар, называемый трегалозой . Устойчивость к высыханию растений связана с производством другого сахара - сахарозы . Считается, что эти сахара защищают организм от высыхания. [4] У некоторых существ, таких как бделлоидные коловратки, трегалоза не была обнаружена, что побудило ученых предложить другие механизмы ангидробиоза, возможно, с участием изначально неупорядоченных белков . [5]

В 2011 году было показано, что нематода Caenorhabditis elegans , которая также является одним из наиболее изученных модельных организмов, претерпевает ангидробиоз на стадии личинки дауэра . [6] Дальнейшие исследования с использованием генетических и биохимических инструментов, доступных для этого организма, показали, что помимо биосинтеза трегалозы, в ангидробиоз на молекулярном уровне участвует ряд других функциональных путей. [7] Это в основном защитные механизмы против активных форм кислорода и ксенобиотиков , экспрессия белков теплового шока и внутренне неупорядоченных белков, а также биосинтез полиненасыщенных жирных кислот и полиаминов . Некоторые из них сохраняются среди ангидробиотических растений и животных, что позволяет предположить, что ангидробиотическая способность может зависеть от набора общих механизмов. Детальное понимание этих механизмов может позволить модифицировать неангидробиотические клетки, ткани, органы или даже организмы, чтобы их можно было сохранять в высушенном состоянии анабиоза в течение длительных периодов времени.

С 2004 года такое применение ангидробиоза применяется к вакцинам . В вакцинах процесс может производить сухую вакцину, которая реактивируется после введения в организм. Теоретически технология сухой вакцины может быть использована для любой вакцины, включая живые вакцины, такие как вакцина против кори. Он также потенциально может быть адаптирован для медленного высвобождения вакцины, что устраняет необходимость в бустерах. Это предлагает устранить потребность в охлаждении вакцин, тем самым сделав сухие вакцины более доступными во всех развивающихся странах, где охлаждение, электричество и надлежащее хранение менее доступны. [8]

На основе аналогичных принципов была разработана лиоконсервация как метод сохранения биологических образцов при температуре окружающей среды. [9] [10] Лиоконсервация - это биомиметическая стратегия, основанная на ангидробиозе для сохранения клеток при температуре окружающей среды. Он был изучен как альтернативный метод криоконсервации . Преимущество этого метода заключается в возможности сохранения биологических образцов при температуре окружающей среды без необходимости охлаждения или использования криогенных температур. [11] [12]

Аноксибиоз

В условиях недостатка кислорода (он же аноксия) многие криптобионты (например, M. tardigradum ) впитывают воду и становятся набухшими и неподвижными, но могут выжить в течение продолжительных периодов времени. Некоторые экзотермические позвоночные и некоторые беспозвоночные, такие как раковые креветки , [13] веслоногие рачки , [14] нематоды, [15] и геммулы губок , [16] способны выживать в кажущемся неактивным состоянии в бескислородных условиях от месяцев до десятилетий.

Исследования метаболической активности этих бездействующих организмов во время аноксии в основном не дали результатов. Это связано с тем, что очень трудно измерить очень небольшие степени метаболической активности с достаточной надежностью, чтобы доказать криптобиотическое состояние, а не обычное снижение скорости метаболизма (MRD). Многие эксперты скептически относятся к биологической осуществимости аноксибиоза, поскольку организму удается предотвратить повреждение своих клеточных структур негативной свободной энергией окружающей среды, несмотря на то, что он окружен большим количеством воды и тепловой энергии и не использует собственную свободную энергию. . Однако есть свидетельства того, что индуцированный стрессом белок p26 может действовать как белковый шаперон, который не требует энергии у зародышей кистозной Artemia franciscana (морская обезьяна), и, скорее всего, чрезвычайно специализированный и медленный путь гуанинового полинуклеотида продолжает обеспечивать метаболическую свободную энергию для в А. franciscana зародыши во бескислородных условиях. Кажется, что A. franciscana приближается, но не достигает истинного аноксибиоза. [17]

Хемобиоз

Хемобиоз - это криптобиотическая реакция на высокие уровни токсинов в окружающей среде. Наблюдается у тихоходок . [18]

Криобиоз

Криобиоз - это форма криптобиоза, возникающая при понижении температуры . Криобиоз возникает, когда вода, окружающая клетки организма, замораживается, прекращение подвижности молекул позволяет организму выдерживать отрицательные температуры до тех пор, пока не вернутся более благоприятные условия. Организмы, способные выдерживать эти условия, обычно имеют молекулы, которые способствуют замораживанию воды в предпочтительных местах, а также препятствуют росту крупных кристаллов льда, которые в противном случае могли бы повредить клетки. [ необходима цитата ] Одним из таких организмов является омар . [19]

Осмобиоз

Осмобиоз - наименее изученный из всех видов криптобиоза. Осмобиоз возникает в ответ на повышенную концентрацию растворенных веществ в растворе, в котором живет организм. Мало что известно наверняка, кроме того, что осмобиоз, по-видимому, включает прекращение метаболизма. [18]

Артемия артемия заИп , которые могут быть найдены в Макгадикгади в Ботсване , [20] выживает более сухой сезон , когда вода из кастрюли испаряется, оставляя практически высушенное озеро кровать.

Медленно передвигающийся или воды медведь, может пройти все пять типов криптобиоз. В криптобиотическом состоянии его метаболизм снижается до менее 0,01% от нормы, а содержание воды может упасть до 1% от нормы. [21] Он может выдерживать экстремальные температуры , радиацию и давление в криптобиотическом состоянии. [22]

Некоторые нематоды и коловратки также могут подвергаться криптобиозу. [23]

  • Биостаз
  • Криобиология
  • Крионика
  • Криптобиотическая почва
  • Гибернации
  • Лиоконсервация

  1. ^ Бартельс, Доротея; Саламини, Франческо (декабрь 2001 г.). «Устойчивость к высыханию у воскрешающего растения Craterostigma plantagineum. Вклад в изучение устойчивости к засухе на молекулярном уровне» . Физиология растений . 127 (4): 1346–1353. DOI : 10.1104 / pp.010765 . PMC  1540161 . PMID  11743072 .
  2. ^ Калахан, декан; Данхэм, Майтрейя; ДеСево, Крис; Кошланд, Дуглас Э. (октябрь 2011 г.). «Генетический анализ устойчивости к высыханию у Sachharomyces cerevisiae» . Генетика . 189 (2): 507–519. DOI : 10.1534 / genetics.111.130369 . PMC  3189811 . PMID  21840858 .
  3. ^ Шен-Миллер, Дж; Маджетт, Мэри Бет; Шопф, Дж. Уильям; Кларк, Стивен; Бергер, Райнер (ноябрь 1995 г.). «Исключительная долговечность семян и устойчивый рост: древний священный лотос из Китая». Американский журнал ботаники . 82 (11): 1367–1380. DOI : 10.2307 / 2445863 . JSTOR  2445863 .
  4. ^ Эркут, Джихан; Пеньков, Сидер; Фахми, Карим; Курцчалия, Теймурас V (январь 2012 г.). «Как черви выживают при высыхании: трегалоза про воду» . Червь . 1 (1): 61–65. DOI : 10,4161 / worm.19040 . PMC  3670174 . PMID  24058825 .
  5. ^ Туннаклифф, Алан; Лапинский, Йенс; Макги, Брайан (сентябрь 2005 г.). «Предполагаемый белок LEA, но не трегалоза, присутствует в ангидробиотических бделлоидных коловратках». Hydrobiologia . 546 (1): 315–321. DOI : 10.1007 / s10750-005-4239-6 . S2CID  13072689 .
  6. ^ Эркут, Джихан; Пеньков, Сидер; Хесбак, Хасан; Воркель, Даниэла; Вербавац, Жан-Марк; Фахми, Карим; Курцчалия, Теймурас V (август 2011 г.). «Трегалоза делает личинку дауэра Caenorhabditis elegans устойчивой к чрезмерному высыханию». Текущая биология . 21 (15): 1331–1336. DOI : 10.1016 / j.cub.2011.06.064 . PMID  21782434 . S2CID  18145344 .
  7. ^ Эркут, Джихан; Василий, Андрей; Боланд, Себастьян; Хаберманн, Бьянка; Шевченко, Андрей; Курцчалия, Теймурас V (декабрь 2013 г.). «Молекулярные стратегии личинки Caenorhabditis elegans dauer, чтобы выжить в условиях экстремального высыхания» . PLOS ONE . 8 (12): e82473. Bibcode : 2013PLoSO ... 882473E . DOI : 10.1371 / journal.pone.0082473 . PMC  3853187 . PMID  24324795 .
  8. ^ «Большие надежды на уколы без холодильника» . BBC News . 2004-10-19.
  9. ^ Ян, Гир; Гилстрап, Кайл; Чжан, Айли; Сюй, Лиза Х .; Хэ, Сяомин (1 июня 2010 г.). «Температура коллапса растворов, важных для лиосохранения живых клеток при температуре окружающей среды». Биотехнология и биоинженерия . 106 (2): 247–259. DOI : 10.1002 / bit.22690 . PMID  20148402 . S2CID  20748794 .
  10. ^ Чакраборти, Нилай; Чанг, Энтони; Эльмоазцен, Хайди; Menze, Michael A .; Рука, Стивен С .; Тонер, Мехмет (2011). «Метод центробежной сушки для лио-консервации клеток млекопитающих». Анналы биомедицинской инженерии . 39 (5): 1582–1591. DOI : 10.1007 / s10439-011-0253-1 . PMID  21293974 . S2CID  11204697 .
  11. ^ Ян G, Gilstrap K, Zhang A, Xu LX, He X. Температура коллапса растворов, важных для лио-консервации живых клеток, при температуре окружающей среды. Biotechnol Bioeng. 2010 июн 1; 106 (2): 247-59.
  12. ^ Chakraborty N, Chang A, Elmoazzen H, Menze MA, Hand SC, Toner M. Метод центробежной сушки для лиоконсервации клеток млекопитающих. Энн Биомед Eng. 2011 Май; 39 (5): 1582-91.
  13. ^ Клегг и др. 1999 г.
  14. ^ Маркус и др., 1994
  15. ^ Кроу и Купер, 1971
  16. ^ Reiswig и Миллер, 1998
  17. ^ Клегг, Джеймс С. (2001). «Криптобиоз - своеобразное состояние биологической организации». Сравнительная биохимия и физиология Б . 128 (4): 613–624. DOI : 10.1016 / S1096-4959 (01) 00300-1 . PMID  11290443 .
  18. ^ а б Møbjerg, N .; Halberg, KA; Jørgensen, A .; Persson, D .; Bjørn, M .; Ramløv, H .; Кристенсен, РМ (2011). «Выживание в экстремальных условиях - о современных знаниях об адаптациях тихоходок» . Acta Physiologica . 202 (3): 409–420. DOI : 10.1111 / j.1748-1716.2011.02252.x . PMID  21251237 . S2CID  20894284 .
  19. ^ «Замороженные омары, возвращенные к жизни» . 18 марта 2004 г.
  20. ^ С. Майкл Хоган (2008) Макгадикгади , Мегалитический портал, изд. А. Бернхэм
  21. ^ Пайпер, Росс (2007), Необычные животные: энциклопедия любопытных и необычных животных , Greenwood Press .
  22. ^ Факты о тихоходке из Уэслианского университета штата Иллинойс
  23. ^ Ватанабэ, Масахико (2006). «Ангидробиоз беспозвоночных» . Прил. Энтомол. Zool . 41 (1): 15–31. DOI : 10,1303 / aez.2006.15 .

  • Дэвид А. Уортон, Жизнь на пределе: организмы в экстремальных условиях, Cambridge University Press, 2002, твердая обложка, ISBN  0-521-78212-0