Разбираем мир микробиологии по кусочкам
От Антарктиды до морозильных камер холодильников.
Антарктида – это континент, о котором людям, и даже ученым, мало что известно. Трудно представить, что среда обитания с гигантскими ледниками, сухим воздухом и самыми низкими из когда-либо зарегистрированных температур сможет поддерживать какую-то форму жизни. Тем не менее, в Антарктиде присутствует огромное разнообразие микроорганизмов. Такие организмы называют психрофилами (или криофилами), и в ходе эволюции они разработали несколько механизмов адаптации, позволяющие им переживать суровые антарктические зимы.
Секрет их выживания – белки-антифризы. Эти белки, вырабатываемые бактериями, имеют свойство менять направление роста кристаллов льда, тем самым предотвращая скопление кристаллов в одном месте. Кроме этого, в условиях заморозков и оттепели, антифризные свойства белков препятствуют ре-кристаллизации льда. Неудивительно, что белки-антифризы довольно распространены среди видов, обитающих в холодных регионах нашей планеты. Формы этого белка ранее были найдены у морских рыб и даже у снежной плесени.
В своем исследовании, Муньос с коллегами были полны решимости изучить то, как антарктические бактерии используют белки-антифризы для выживания. Ученые провели эксперимент в условиях, имитирующие периоды заморозков и оттепели в Антарктиде, и смогли выделить три жизнеспособных микроорганизма из родов Plantibacter, Sphingomonas, и Pseudomonas. Чтобы убедиться, вырабатывают ли эти организмы морозоустойчивые белки, ученые должны были выделить генетические последовательности, отвечающие за производство этих белков. Авторы обнаружили две различные последовательности у Plantibacter (gu3A и gu3B) и одну уникальную последовательность у Pseudomonas (afp5A). Генетическая последовательность у бактерии из рода Sphingomonas соответствовала уже известной последовательности белка у другого вида бактерий-психрофилов Marinomonas primorynsis.
Далее, исследователи протестировали морозоустойчивые белки на двух образцах: огурце (изображения A и B) и цуккини (изображения C и D). Основная идея этого эксперимента заключалась в том, чтобы продемонстрировать, что белки-антифризы, извлеченные из бактерий-психрофилов, смогут защитить клетки пищевых продуктов от внешних и внутренних повреждений, вызванные ростом кристаллов льда. Красная стрелка на изображении А указывает на клетку огурца, которая была повреждена в ходе эксперимента из-за отсутствия белков-антифризов в растворе. Изображение B, напротив, показывает клетку без разрывов или повреждений, подтверждая силу действия белков-антифризов. Такие же результаты наблюдались на образце цуккини, где изображение C представляет собой образец без белков-антифризов, а изображение D демонстрирует целостность клеток цуккини. Эти эксперименты показали, что такие необычные бактериальные белки, в действительности, предотвращают разрывы клеток, вызванные кристаллизацией льда.
Бактериальные белки-антифризы были добавлены к образцам пищевых продуктов, чтобы изучить защитные свойства этих белков. Изображения A и B описывают клетки огурца до (изображение А) и после (изображение В) действия белков-антифризов. Изображения C и D описывают клетки цуккини до (изображение С) и после (изображение D) действия белков-антифризов. Красные стрелки указывают на поврежденные участки клеток. Изображение создано на Biorender.com
Но в чем же заключается волшебный трюк белков-антифризов, который позволяет бактериям предотвращать образование льда вокруг клеток? Исследователи определили, что каждая извлеченная генетическая последовательность содержит в себе аминокислоту треонин. Треонин – одна из 20 незаменимых аминокислот, и она присутствует в каждом живом организме на планете (получается, что эта кислота есть даже у микробов!). Треонин имеет гидроксильную группу -ОН, что делает ее полярной, то есть легко растворимой в воде. Именно химические характеристики аминокислоты позволяют бактериям поддерживать определенную биологическую взаимосвязь между кристаллами льда, треонином, и белками-антифризами. Гидроксильная группа -ОН расположена таким образом, что она становится доступной для контакта с кристаллами льда. На изображении ниже, аминокислота в белке-антифризе обозначена желтым цветом, чтобы подчеркнуть уникальное расположение треонина в молекуле белка («Т» означает треонин, сокращение, используемое в биохимии).
Изучение белков-антифризов может положительно повлиять на многие технологические процессы. Такие морозоустойчивые белки могут применяться в процедурах криоконсервации, процессе сохранения клеток, тканей или любых других биологических структур путем охлаждения образцов до очень низких температур. Криоконсервация может значительно продлить срок службы проб стволовых клеток или тканей.
И не стоит забывать о пищевой промышленности и заготовке замороженных продуктов на производствах. Белки-антифризы уже долгое время используются для сохранения структуры продуктов растительного и животного происхождения. Предотвращая накопление больших кристаллов льда во время циклов замораживания и оттаивания, белки-антифризы поддерживают свежесть замороженных продуктов. Что еще более важно, исследования в области морозоустойчивых белков помогут ученым лучше понять механизмы выживания бактерий-психрофилов и их методы адаптации к суровым условиям Антарктиды.
7. Jeon, S.M. , Naing, A.H. , Park, K.I. , Kim, C.K. 2015. The effect of antifreeze protein on the cryopreservation of chrysanthemums. Plant Cell Tiss Organ Cult. doi:10.1007/s11240‐015‐0852‐x.
8. Jang, T.H. , Park, S.C. , Yang, J.H. , et al. 2017. Cryopreservation and its clinical applications. Integr Med Res. 6(1):12-18. doi:10.1016/j.imr.2016.12.001
Featured image: https://www.process-cooling.com/articles/90162-things-to-know-about-freezing-equipment-for-food-processing
Перевод был сделан Марией Мартыновой
micro-bites.org 