Криптобиоз: Состояние жизни в экстремальных условиях

Введение

Метаболическое состояние жизни

Криптобиоз, или анабиоз, – это метаболическое состояние экстремофильных организмов, возникающее в ответ на неблагоприятные условия окружающей среды, такие как высыхание, замораживание и недостаток кислорода. В состоянии криптобиоза все измеримые метаболические процессы останавливаются, предотвращая размножение, развитие и восстановление. При возвращении благоприятных условий окружающей среды организм возвращается к своему нормальному метаболическому состоянию, которое было до наступления криптобиоза.

Ангидробиоз

Ангидробиоз является наиболее изученной формой криптобиоза и возникает в ситуациях экстремальной дегидратации. Термин "ангидробиоз" происходит от греческого "жизнь без воды" и чаще всего используется для обозначения устойчивости к высыханию, наблюдаемой у некоторых беспозвоночных животных, таких как бделлоидные ротиферы, тихоходки, артемии, нематоды и по крайней мере одного насекомого – вида хирономида (Polypedilum vanderplanki). Однако другие формы жизни также проявляют устойчивость к высыханию. К ним относятся растение-воскресенка (Craterostigma plantagineum), большинство семян растений и многие микроорганизмы, такие как пекарские дрожжи. Исследования показали, что некоторые организмы, способные к ангидробиозу, могут выживать в сухом состоянии десятилетиями, даже столетиями. Беспозвоночные, впадающие в ангидробиоз, часто сжимаются до меньшего размера, а некоторые начинают вырабатывать сахар трегалозу. Устойчивость к высыханию у растений связана с производством другого сахара, сахарозы. Считается, что эти сахара защищают организм от повреждений, вызванных дегидратацией. У некоторых существ, таких как бделлоидные ротиферы, трегалоза не обнаружена, что побудило ученых предположить другие механизмы ангидробиоза, возможно, включающие внутренне неупорядоченные белки. В 2011 году было показано, что Caenorhabditis elegans, нематода, также являющаяся одним из наиболее изученных модельных организмов, впадает в ангидробиоз на стадии личинки dauer. Последующие исследования с использованием генетических и биохимических инструментов, доступных для этого организма, показали, что помимо биосинтеза трегалозы, в ангидробиоз на молекулярном уровне вовлечены и другие функциональные пути. Это в основном защитные механизмы против реактивных форм кислорода и ксенобиотиков, экспрессия белков теплового шока и внутренне неупорядоченных белков, а также биосинтез полиненасыщенных жирных кислот и полиаминов. Некоторые из них консервативны у ангидробиотических растений и животных, что позволяет предположить, что способность к ангидробиозу 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 сухом состоянии анабиоза в течение длительных периодов времени. С 2004 года такое применение ангидробиоза используется в производстве вакцин. В вакцинах этот процесс позволяет получить сухую вакцину, которая активируется после введения в организм. Теоретически, технология сухих вакцин может быть применена к любой вакцине, включая живые вакцины, такие как вакцина против кори. Также ее можно адаптировать для медленного высвобождения вакцины, устраняя необходимость в ревакцинации. Это может устранить необходимость в охлаждении вакцин, что сделает сухие вакцины более доступными во всем развивающемся мире, где охлаждение, электричество и надлежащее хранение менее доступны. Основываясь на схожих принципах, была разработана лиоконсервация как метод сохранения биологических образцов при комнатной температуре. Лиоконсервация – это биомиметическая стратегия, основанная на ангидробиозе для сохранения клеток при комнатной температуре. Она изучается как альтернатива криоконсервации. Преимущества этого метода заключаются в возможности сохранения биологических образцов при комнатной температуре без необходимости охлаждения или использования криогенных температур.

Anhydrobiosis is the most studied form of cryptobiosis and occurs in situations of extreme desiccation. The term anhydrobiosis derives from the Greek for "life without water" and is most commonly used for the desiccation tolerance observed in certain invertebrate animals such as bdelloid rotifers, tardigrades, brine shrimp, nematodes, and at least one insect, a species of chironomid (Polypedilum vanderplanki). However, other life forms exhibit desiccation tolerance. These include the resurrection plant Craterostigma plantagineum, the majority of plant seeds, and many microorganisms such as bakers' yeast. Studies have shown that some anhydrobiotic organisms can survive for decades, even centuries, in the dry state. Invertebrates undergoing anhydrobiosis often contract into a smaller shape and some proceed to form a sugar called trehalose. Desiccation tolerance in plants is associated with the production of another sugar, sucrose. These sugars are thought to protect the organism from desiccation damage. In some creatures, such as bdelloid rotifers, no trehalose has been found, which has led scientists to propose other mechanisms of anhydrobiosis, possibly involving intrinsically disordered proteins. In 2011, Caenorhabditis elegans, a nematode that is also one of the best studied model organisms, was shown to undergo anhydrobiosis in the dauer larva stage. Further research taking advantage of genetic and biochemical tools available for this organism revealed that in addition to trehalose biosynthesis, a set of other functional pathways is involved in anhydrobiosis at the molecular level. These are mainly defense mechanisms against reactive oxygen species and xenobiotics, expression of heat shock proteins and intrinsically disordered proteins as well as biosynthesis of polyunsaturated fatty acids and polyamines. Some of them are conserved among anhydrobiotic plants and animals, suggesting that anhydrobiotic ability may depend on a set of common mechanisms. Understanding these mechanisms in detail might enable modification of non anhydrobiotic cells, tissues, organs or even organisms so that they can be preserved in a dried state of suspended animation over long time periods. As of 2004, such an application of anhydrobiosis is being applied to vaccines. In vaccines, the process can produce a dry vaccine that reactivates once it is injected into the body. In theory, dry vaccine technology could be used on any vaccine, including live vaccines such as the one for measles. It could also potentially be adapted to allow a vaccine's slow release, eliminating the need for boosters. This proposes to eliminate the need for refrigerating vaccines, thus making dry vaccines more widely available throughout the developing world where refrigeration, electricity, and proper storage are less accessible. Based on similar principles, lyopreservation has been developed as a technique for preservation of biological samples at ambient temperatures. Lyopreservation is a biomimetic strategy based on anhydrobiosis to preserve cells at ambient temperatures. It has been explored as an alternative technique for cryopreservation. The technique has the advantages of being able to preserve biological samples at ambient temperatures, without the need for refrigeration or use of cryogenic temperatures.

Аноксибиоз

В ситуациях, когда кислорода недостаточно (так называемой аноксии), многие криптобионты (такие как M. tardigradum) поглощают воду и становятся тугидными и неподвижными, но способны выживать в течение продолжительных периодов времени. Некоторые эктотермические позвоночные и некоторые беспозвоночные, такие как артемии, копеподы, нематоды и губчатые геммулы, способны выживать в, казалось бы, неактивном состоянии в аноксических условиях в течение месяцев или десятилетий. Исследования метаболической активности этих бездействующих организмов во время аноксии в основном не дали однозначных результатов. Это связано с тем, что очень низкие уровни метаболической активности трудно измерить достаточно надежно, чтобы доказать криптобиотическое состояние, а не просто обычное снижение скорости метаболизма (MRD). Многие специалисты скептически относятся к биологической возможности аноксибиоза, поскольку организм умудряется предотвратить повреждение клеточных структур от негативной свободной энергии окружающей среды, несмотря на то, что он окружен большим количеством воды и тепловой энергии и не использует собственной свободной энергии. Однако есть данные, свидетельствующие о том, что стресс-индуцированный белок p26 может выступать в роли белкового шаперона, не требующего энергии, в цистозных эмбрионах Artemia franciscana (морских обезьянок), и, вероятно, чрезвычайно специализированный и медленный путь гуанин-полинуклеотидов продолжает обеспечивать метаболическую свободную энергию эмбрионам A. franciscana в аноксических условиях. Похоже, что A. franciscana приближается к, но не достигает истинного аноксибиоза.

Химобиоз

Химобиоз — это криптобиотический ответ на высокие концентрации токсичных веществ в окружающей среде. Он наблюдался у тихоходов.

Криобиоз

Криобиоз – это форма криптобиоза, возникающая в ответ на понижение температуры. Криобиоз начинается, когда вода, окружающая клетки организма, замерзает. Прекращение подвижности молекул позволяет организму переносить замораживающие температуры до возвращения более благоприятных условий. Организмы, способные выдерживать такие условия, как правило, обладают молекулами, которые способствуют замерзанию воды в определенных местах и одновременно препятствуют росту крупных кристаллов льда, которые могли бы повредить клетки. Одним из таких организмов является лобстер.

Осмобиоз

Осмобиоз – наименее изученный из всех типов криптобиоза. Осмобиоз наступает в ответ на повышение концентрации растворенных веществ в среде обитания организма. Известно лишь то, что осмобиоз, по всей видимости, связан с полным прекращением метаболизма. Например, некоторые организмы выживают в течение сухого сезона, когда вода в водоемах испаряется, оставляя практически полностью высохшее дно. Тардиграды, или тихоходки, способны переносить все пять типов криптобиоза. В состоянии криптобиоза их метаболизм снижается до менее чем 0,01% от нормы, а содержание воды может упасть до 1% от нормального уровня. В этом состоянии они способны выдерживать экстремальные температуры, радиацию и давление. Криптобиоз также наблюдается у некоторых нематод и коловраток.