Новости

7 Августа, 2020 12:12

Ученые: личинки африканских комаров выживают без воды, впадая в спячку

Ученые исследовали способности личинок африканских комаров Polypedilum vanderplanki к выживанию в условиях крайнего дефицита воды. Их спасает состояние, которое называется ангидробиоз. При нем большая часть жизненных процессов ослабевает или прекращается, и существо пребывает в своеобразной спячке. Исследователи изучили биохимические реакции, которые сопровождают это состояние организма. Выяснилось, что ключевую роль играет органическое соединение трегалоза, которое, помимо своей непосредственной защитной функции при высыхании, также переносит энергию. В перспективе знания о ангидробиозе возможно применять для хранения биоматериалов. Работа опубликована в журнале PNAS. Исследование поддержано Российским научным фондом.
Изображение личинки комара, полученное методом сканирующей электронной микроскопии. Источник: Олег Гусев/КФУ
Цикл ангидробиоз-регидратация личинки комара. Источник: Олег Гусев/КФУ
Макроизображение личинки комара. Источник: Олег Гусев/КФУ
Личинка комара в состоянии ангидробиоза, изображение получено методом сканирующей электронной микроскопии. Источник: Олег Гусев/КФУ
Макроизображение личинки комара. Источник: Олег Гусев/КФУ
3 / 4
Изображение личинки комара, полученное методом сканирующей электронной микроскопии. Источник: Олег Гусев/КФУ
Цикл ангидробиоз-регидратация личинки комара. Источник: Олег Гусев/КФУ
Макроизображение личинки комара. Источник: Олег Гусев/КФУ
Личинка комара в состоянии ангидробиоза, изображение получено методом сканирующей электронной микроскопии. Источник: Олег Гусев/КФУ
Макроизображение личинки комара. Источник: Олег Гусев/КФУ

В ходе эволюции некоторые живые организмы выработали в себе способность впадать в состояние, которое называется ангидробиоз. С его помощью они могут длительное время выживать в условиях крайнего дефицита воды и полностью восстанавливать свои жизненные функции, когда окружающая среда станет более благоприятной. Практически все организмы-ангидробионты обладают микроскопическими размерами. Одно из немногих исключений — личинки африканских комаров Polypedilum vanderplanki. Это единственное насекомое, способное к ангидробиозу. Они обитают в Нигерии и Уганде. Благодаря ангидробиозу эти личинки приобретают высокую устойчивость к самым разным вредным воздействиям, среди которых почти полное обезвоживание, высокая радиация, вакуум, некоторые химикаты и экстремальные температуры. Переход в такое состояние у личинок занимает около 48 часов. В это время они теряют 97% всей воды в организме, а обмен веществ практически прекращается. Выход из состояния ангидробиоза, который называется регидратацией, начинается с появления в окружающей среде воды. Личинки начинают двигаться уже через 40 минут после начала процесса, и полностью восстанавливаются через три часа.

Ученые из Казанского федерального университета совместно с зарубежными коллегами исследовали биохимические реакции, сопровождающие впадение личинок P. vanderplanki в ангидробиоз. Для этого они провели комбинированный метаболомно-транскриптомный анализ. Использовались две группы выращенных в лаборатории личинок: в состоянии ангидробиоза и спустя три часа после начала процесса восстановления. У каждой из групп ученые анализировали продукты, получающиеся в ходе обмена веществ. Для сравнения авторы работы использовали личинок близкородственного вида P. nubifer, не способного к ангидробиозу.

Исследователи выяснили, что одним из ключевых факторов метаболизма, который позволяет личинкам P. vanderplanki выживать, является органическое соединение трегалоза. Оно давно известно как вещество с защитными и стабилизирующими в условиях дефицита воды свойствами. Но авторы обнаружили, что трегалоза также выступает в качестве молекулы-носителя энергетических запасов организма, которые организм может использовать с первых моментов восстановления. Личинки начинают накапливать ее еще на ранних стадиях высушивания. Вместе с ней запасается и фермент трегалаза, который ее расщепляет. Он также хранится в организме до начала регидратации. Количество этих веществ напрямую определяет шансы личинок на выживание. Ученые выяснили это с помощью повторения на них процесса высушивание-восстановление. Для перезапуска работы митохондрий, которые играют роль энергетических станций клеток, личинки используют лимонную кислоту и аденозин монофосфат, играющие важную роль в выработке энергии. Также организм личинок старается минимизировать присутствие токсичных соединений, поэтому продукты обмена питательных веществ хранятся в виде стабильных и нетоксичных соединений, таких как аллантоин, офтальмовая кислота или ксантуреновая кислота. При этом они также могут действовать как антиоксиданты. Синтез ксантуреновой кислоты имеет особое значение для выживания личинок, о чем говорит обнаруженное учеными удвоение гена, который вырабатывает фермент-катализатор этой реакции.

«Мы не обнаружили никаких аналогичных процессов у близкородственного вида P. nubifer. Поэтому можно утверждать, что наблюдаемые особенности метаболизма P. vanderplanki напрямую связаны с адаптацией к обитанию в условиях периодических засух и способностью личинок впадать в состояние ангидробиоза. Изучение этого явления значимо по двум причинам. Во-первых, это расширение фундаментальных знаний о защитных системах живых организмов. Во-вторых, его можно применять в биотехнологических разработках, например для хранения биоматериалов», — прокомментировал Олег Гусев, ведущий научный сотрудник, заведующий кафедрой экстремальной биологии Казанского федерального университета.

Исследование проводилось совместно с коллегами из Национальной организации исследований в области сельского хозяйства и продовольствия (Япония).

17 Сентября, 2020
Создан программный комплекс для моделирования самосборки молекулярных слоев
Российские ученые разработали программу, которая позволяет моделировать процессы на поверхностях тве...
17 Сентября, 2020
Извержения вулканов станут более предсказуемыми
Российские ученые установили закономерности извержения вулканов, выявив влияние вязкости магмы на фо...