Биостаз: Состояние жизнеспособности без адаптации.

Введение

Справиться с изменениями окружающей среды без адаптации

Биостазис – это способность организма переносить изменения окружающей среды, не нуждаясь в активной адаптации к ним. Биостазис встречается у организмов, обитающих в средах, где вероятно возникновение неблагоприятных условий, таких как засуха, низкие температуры, изменение уровня pH, давления или температуры. Насекомые переживают эти условия, впадая в состояние покоя, называемое диапаузой. Для некоторых насекомых диапауза может быть жизненно необходимой. Кроме того, насекомое может претерпевать изменения до наступления события, вызывающего диапаузу.

Микроорганизмы

Биостаз в данном контексте также является синонимом жизнеспособного, но некультивируемого состояния. Ранее, когда бактерии переставали расти на культуральных средах, предполагалось, что они погибли. Теперь мы понимаем, что существует множество случаев, когда клетки бактерий могут переходить в биостаз или состояние анабиоза, не расти на средах, и после реанимации вновь становиться культивируемыми. Состояние VBNC отличается от "состояния выживания при недостатке питательных веществ" (когда клетка лишь значительно снижает метаболизм). Клетки бактерий могут входить в состояние VBNC в результате внешнего стрессора, такого как "голодание, инкубация вне температурного диапазона роста, повышенная осмотическая концентрация (морская вода), концентрация кислорода или воздействие белого света". Любой из этих факторов может легко привести к гибели бактерии, если бы она не могла войти в это состояние покоя. Также было замечено, что в некоторых случаях, когда считалось, что бактерии были уничтожены (например, при пастеризации молока), впоследствии вызывали порчу или наносили вред потребителям, поскольку бактерии перешли в состояние VBNC. Эффекты на клетки, входящие в состояние VBNC, включают "уменьшение размеров, изменения в метаболической активности, снижение транспорта питательных веществ, скорости дыхания и синтеза макромолекул". Однако биосинтез продолжается, и синтезируются белки теплового шока. Важно отметить, что уровни АТФ и его генерация остаются высокими, что полностью противоречит умирающим клеткам, у которых наблюдается быстрое снижение генерации и удержания АТФ. Также наблюдались изменения в клеточных стенках бактерий в состоянии VBNC. В случае Escherichia coli в пептидогликане наблюдалось значительное количество поперечных связей. Автолитическая способность также была намного выше в клетках VBNC, чем в клетках, находящихся в фазе роста. Гораздо легче ввести бактерии в состояние VBNC, и после того, как клетки бактерий вошли в это состояние, их очень трудно вернуть в культивируемое состояние. "Они исследовали некультивируемость и реанимацию Legionella pneumophila, и хотя вход в это состояние легко индуцировался недостатком питательных веществ, реанимация была продемонстрирована только после совместной инкубации клеток VBNC с амебой Acanthamoeba Castellani".

Biostasis in this context is also synonymous for viable but nonculturable state. In the past when bacteria were no longer growing on culture media it was assumed that they were dead. Now we can understand that there are many instances where bacteria cells may go into biostasis or suspended animation, fail to grow on media, and on resuscitation are again culturable. VBNC state differs from 'starvation survival state' (where a cell just reduces metabolism significantly). Bacteria cells may enter the VBNC state as a result of some outside stressor such as "starvation, incubation outside the temperature range of growth, elevated osmotic concentrations (seawater), oxygen concentrations, or exposure to white light". Any of these instances could very easily mean death for the bacteria if it was not able to enter this state of dormancy. It has also been observed that in may instances where it was thought that bacteria had been destroyed (pasteurization of milk) and later caused spoilage or harmful effects to consumers because the bacteria had entered the VBNC state. Effects on cells entering the VBNC state include "dwarfing, changes in metabolic activity, reduced nutrient transport, respiration rates and macromolecular synthesis". Yet biosynthesis continues, and shock proteins are made. Most importantly has been observed that ATP levels and generation remain high, completely contrary to dying cells which show rapid decreases in generation and retention. Changes to the cell walls of bacteria in the VBNC state have also been observed. In Escherichia coli a large amount of cross linking was observed in the peptidoglycan. The autolytic capability was also observed to be much higher in VBNC cells than those who were in the growth state. It is far easier to induce bacteria to the VBNC state and once bacteria cells have entered the VBNC state it is very hard to return them to a culturable state. "They examined nonculturability and resuscitation in Legionella pneumophila and while entry into this state was easily induced by nutrient starvation, resuscitation could only be demonstrated following co incubation of the VBNC cells with the amoeba, Acanthamoeba Castellani"

Фунгистаз или микостаз – естественное состояние VBNC (жизнеспособное, но не культивируемое), встречающееся у грибов в почве. Уотсон и Форд определили фунгистаз как "состояние, когда жизнеспособные грибковые проростки, не подверженные эндогенному или конститутивному покою, не прорастают в почве при благоприятных температуре и влажности, или рост грибкового мицелия замедляется или прекращается из-за условий почвенной среды, отличных от температуры или влажности". По сути (и в основном наблюдаемое в естественных условиях в почве), было обнаружено, что несколько типов грибов переходят в состояние VBNC в результате внешних стрессоров (температура, доступность питательных веществ, доступность кислорода и т.д.) или даже при отсутствии видимых стрессоров.

Текущие исследования

1 марта 2018 года Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) объявило о запуске новой программы «Биостаз» под руководством доктора Тристана МакКлюра Бегли. Целью программы «Биостаз» является разработка новых возможностей для увеличения «золотого часа» у пациентов с травмами путем замедления работы человеческого организма на клеточном уровне, что позволит выиграть время для непрерывно функционирующих биологических систем, столкнувшихся с катастрофическими, угрожающими жизни ситуациями. Используя достижения молекулярной биологии, программа стремится контролировать скорость функционирования живых систем и найти способ «замедлить жизнь, чтобы спасти её». 20 марта 2018 года команда программы «Биостаз» провела вебинар и опубликовала широкомасштабное объявление (BAA) о приеме предложений по проведению пятилетних исследований от сторонних организаций. Полные предложения должны были быть представлены до 22 мая 2018 года.

Возможные подходы

В своем вебинаре DARPA представила ряд возможных исследовательских подходов для проекта Biostasis. Эти подходы основаны на исследованиях диапаузы у тихоходок и древесных лягушек, которые указывают на то, что селективная стабилизация внутриклеточных механизмов происходит на уровне белков. Кроме того, полифункциональность белков играет ключевую роль в адаптации видов к новым средам. Внутриклеточная скученность относится к ограничению функции белков и их взаимодействия с водой при высокой плотности содержимого клетки. Вводя эти внутриклеточные полимеры в биологическую систему и регулируя степень скученности клетки, ученые могут замедлить скорость биологических реакций в этой системе.

Белоки с нарушением тардиграда

Тардиграды – микроскопические животные, способные впадать в состояние диапаузы и выживать под воздействием широкого спектра неблагоприятных факторов окружающей среды, включая замораживание и обезвоживание. С помощью пептидного инжиниринга ученые, возможно, смогут ввести в биологические системы более крупных животных внутренне неупорядоченные белки. Это потенциально позволит более крупным животным входить в состояние биостаза, аналогичное таковому у тардиград при экстремальных биологических стрессах.