Ученые выяснили секрет «бессмертия» тихоходок
Крошечные, микроскопические живые организмы под названием тихоходки широко известны в биологии за счет своей удивительной живучести. Они способны выживать в таких условиях, где не выживет ни один другой живой организм на планете Земля. Исследователи из Японии решили, наконец, разобраться в этом секрете живучести и создали самую точную на сегодняшний день картину генома тихоходок, который позволил им узнать несколько секретов, наделяющих этих крошечных существ способностью выживать практически где угодно.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, генетик Такеказу Куниеда и его коллеги из Токийского университета поделились деталями генетического анализа Ramazzottius variornatus – самого живучего вида среди всех семейств тихоходок. Результаты анализа показывают, что тихоходки смогли развить уникальный арсенал стратегий, помогающих им выдерживать самые суровые условия. Кроме того, ученые узнали, что одним из важнейших компонентов «живучести» этих микроорганизмов является особый белок, защищающий их ДНК от деструктивного воздействия радиации.
Когда ученые трансплантировали этот белок внутрь взращенных человеческих клеток, эти клетки получили ту же самую защиту от радиации. Полученный результат открывает потенциальные возможности для новых методов сохранения клеточных связей, новых методов генной терапии, а также новые возможности в трансгенетике.
Как уже было указано выше, тихоходки, подпадающие под классификацию «экстремофилов», способны переживать заморозку, полную дегидратацию, воздействие радиации и даже вакуум космоса. Ученые считают, что этот вид появился на Земле около 600 миллионов лет назад и за это время смог развить в себе уникальные возможности адаптации к любым окружающим условиям.
Тихоходка «улыбается» в камеру микроскопа
Ранее в этом году ученые успешно вернули к жизни тихоходку, находившуюся в полностью замороженном состоянии в течение последних трех десятилетий, что является абсолютным рекордом для этого вида. Поэтому неудивительно, что ученых очень интересуют эти микроскопические животные. Секреты «бессмертия» этих древних существ могут не только рассказать о возможности существования живых организмов на других планетах, но и имеют огромный потенциал открытия новых возможностей в медицине и генетике.
Стоит отметить, что это не первый раз, когда ученые составляют геном тихоходок. В прошлом году генетики Университета Северной Каролины (США) проводили аналогичные исследования и выяснили, что генетическая структура этих живых существ обладает по-настоящему удивительной особенностью. Исследование показало, что 17,5 процента генома тихоходок берет свое начало у других организмов: растений, грибов, бактерий и даже вирусов. Было сделано предположение, что удивительные способности тихоходок не являются исключительно результатом их собственной эволюции, а скорее являются результатом процесса горизонтального переноса генов, когда один организм передает свой генетический материл другому организму, не являющемуся его потомком.
Однако новое исследование Токийского университета ставит под сомнение это предположение и говорит о том, что особенности тихоходок являются уникальными и совсем не являются следствием горизонтального переноса генов.
Тихоходка на листике мха
Новое исследование в некоторой степени отличается от предыдущих. Во-первых, для своих наблюдений японские ученые использовали самый живучий вид тихоходок R. Varieornatus, в то время как в предыдущих исследованиях ученые вели наблюдение за видом Hypsibius dujardini, который является наименее живучим среди этих организмов.
Во-вторых, ученые успешно исключили возможность воздействия на эти организмы других видов бактерий (вы не поверите, но наряду с другими средствами для этого использовались коммерчески доступные отбеливатели), что позволило просканировать геном тихоходок без воздействия каких-либо внешних раздражителей. Этот пункт оказался особенно важным, так как авторы предыдущих исследований заявляли о наличии большого объема бактериальных генов, включенных в геном тихоходок.
В-третьих, ученые смогли секвенировать геном тихоходок на гораздо более высоком уровне точности, создав генетический профиль, в 100 раз менее фрагментированный, чем в рамках предыдущих попыток.
Наблюдая за секвенированным геномом, ученые отметили, что соотношение «инородных генов» составляет 1,2 процента, что, конечно же, гораздо ниже тех 17,5 процента, о которых мы говорили выше.
«Количественное соотношение на уровне 1,2 процента совсем не является чем-то уникальным для животного царства, и таким образом невозможно говорить о масштабном горизонтальном переносе генов, если таковой вообще имелся», — комментирует Куниеда.
«Отличительной чертой тихоходок является наличие уникальных генов, которые и позволяют этим организмам вырабатывать такой высокий уровень толерантности к суровым окружающим условиям».
Полностью обезвоженная тихоходка свернулась «калачиком»
Авторам нового исследования удалось выяснить, какие гены и биологические процессы наделяют тихоходок столь удивительными возможностями выживания. Например, в геноме тихоходок содержится больше, чем у любых других живых организмов, антиоксидантных ферментов и генов, восстанавливающих ДНК. Куниеда говорит, что эти особенности позволяют тихоходкам без проблем переживать полную дегидрацию их организма и эффективно восстанавливать поврежденные цепочки ДНК.
Кроме того, ученые обнаружили наличие особого белка, который встраивает себя в ДНК. Уникальный белок, получивший название Dsup, ведет себя как щит против радиации, не позволяя ДНК расщепляться. Это вполне может объяснять тот факт, что тихоходкам практически безразлично воздействие радиации и они вполне способны выживать даже в условиях вакуума космоса.
Эта генетическая защита от радиации может быть адаптирована в клетках других животных. В рамках тестов с использованием культивированных клеток человека ученые продемонстрировали эффективность белка Dsup в противостоянии радиации и защите ДНК от повреждений, снизив их практически на 40 процентов. Другими словами, если этот особый белок можно будет поместить внутрь живых людей, то это повысит уровень нашей естественной защиты от радиации. Более того, биология тихоходок в той или иной степени может сделать человека более приспособленным к условиям космоса.
«Интеграция белка Dsup в человеческий организм может повысить нашу защиту к радиации. Но к настоящему моменту это можно сделать исключительно за счет методов генетического редактирования. С учетом нынешних законов в ближайшем будущем этого точно не случится», — комментирует Куниеда.
Кроме того, ученый отмечает, что Dsup неидеален и способен снижать повреждения ДНК, вызываемые радиацией, примерно в половину, что, «конечно же, существенно, но все же только вполовину». По мнению Куниеды тихоходки используют и другие средства (помимо белка Dsup), чтобы защитить себя от радиации.
Несмотря на большую значимость белка Dsup, Куниеда считает, что способности сверхзащиты тихоходок скрываются и в других особенностях их строения и генетики, которые все еще только предстоит открыть.
«Используя комбинаторный набор этих генов, мы могли бы повысить уровни выживаемости и у других животных», — говорит ученый.
«Особый интерес связан с поиском возможности передачи стойкости к дегидрации. Потому что в этом случае это, например, позволит нам найти более эффективные методы хранения самых разных биологических материалов, включая нашу еду: зерновые культуры, мясо, рыбу и так далее».
По мнению ученого, перед тем как мы сможем полностью понять особенность генома тихоходок, потребуется провести еще далеко не одно исследование.