Криптобиоз

Криптобиоз или анабиоз — метаболическое состояние экстремофильных организмов в ответ на неблагоприятные условия окружающей среды, такие как высыхание , замерзание и кислорода дефицит . В криптобиотическом состоянии все измеримые метаболические процессы останавливаются, предотвращая размножение , развитие и восстановление. Когда условия окружающей среды станут гостеприимными, организм вернется к своему метаболическому состоянию жизни, каким оно было до криптобиоза.

Формы

Ангидробиоз

Ангидробиоз тихоходок Richtersius coronifer

Ангидробиоз является наиболее изученной формой криптобиоза и возникает в условиях сильного высыхания . Термин ангидробиоз происходит от греческого слова «жизнь без воды» и чаще всего используется для обозначения устойчивости к высыханию, наблюдаемой у некоторых беспозвоночных животных, таких как бделлоидные коловратки , тихоходки , артемии , нематоды и, по крайней мере, одно насекомое, вид хирономид . Polypedilum vanderplanki ). Однако другие формы жизни проявляют устойчивость к высыханию. К ним относятся воскресающее растение Craterostigma plantagineum , ^{[ 1 ]} большинство семян растений и многие микроорганизмы, такие как пекарские дрожжи . ^{[ 2 ]} Исследования показали, что некоторые ангидробиотические организмы могут выживать в сухом состоянии десятилетиями и даже столетиями. ^{[ 3 ]}

Беспозвоночные, подвергающиеся ангидробиозу, часто уменьшаются в размерах, а некоторые продолжают образовывать сахар , называемый трегалозой . Толерантность растений к высыханию связана с выработкой другого сахара — сахарозы . Считается, что эти сахара защищают организм от повреждений, вызванных высыханием. ^{[ 4 ]} У некоторых существ, таких как бделлоидные коловратки, трегалоза не была обнаружена, что побудило ученых предложить другие механизмы ангидробиоза, возможно, с участием внутренне неупорядоченных белков . ^{[ 5 ]}

В 2011 году было показано, что Caenorhabditis elegans , нематода, которая также является одним из наиболее изученных модельных организмов, подвергается ангидробиозу на стадии дауэр-личинки . ^{[ 6 ]} Дальнейшие исследования с использованием генетических и биохимических инструментов, доступных для этого организма, показали, что помимо биосинтеза трегалозы, в ангидробиозе на молекулярном уровне участвует ряд других функциональных путей. ^{[ 7 ]} В основном это защитные механизмы против активных форм кислорода и ксенобиотиков , экспрессия белков теплового шока и внутренне неупорядоченных белков , а также биосинтез полиненасыщенных жирных кислот и полиаминов . Некоторые из них законсервированы среди ангидробиотических растений и животных, что позволяет предположить, что ангидробиотическая способность может зависеть от ряда общих механизмов. Детальное понимание этих механизмов может позволить модифицировать неангидробиотические клетки, ткани, органы и даже организмы так, чтобы их можно было сохранять в высушенном состоянии анабиоза в течение длительных периодов времени.

С 2004 года такое применение ангидробиоза применяется к вакцинам . В вакцинах этот процесс позволяет получить сухую вакцину , которая реактивируется после инъекции в организм. Теоретически технология сухой вакцины может быть использована для любой вакцины, включая живые вакцины, такие как вакцина против кори. Потенциально ее также можно адаптировать, чтобы обеспечить медленное высвобождение вакцины, устраняя необходимость в бустерах. Это предполагает устранение необходимости в охлаждении вакцин, что сделает сухие вакцины более широко доступными во всем развивающемся мире, где охлаждение, электричество и надлежащее хранение менее доступны. ^{[ 8 ]}

На основе аналогичных принципов была разработана лиоконсервация как метод сохранения биологических образцов при температуре окружающей среды. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} Лиоконсервация — это биомиметическая стратегия, основанная на ангидробиозе и позволяющая сохранять клетки при температуре окружающей среды. Он был исследован как альтернативный метод криоконсервации . Преимущество этого метода заключается в возможности сохранять биологические образцы при температуре окружающей среды без необходимости охлаждения или использования криогенных температур. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

Аноксибиоз

СЭМ- изображение Milnesium tardigradum в подвешенном состоянии

СЭМ-изображение Milnesium tardigradum в активном состоянии

В ситуациях недостатка кислорода (так называемой аноксии) многие криптобионты (например, M. tardigradum ) набирают воду и становятся набухшими и неподвижными, но могут выжить в течение длительных периодов времени. Некоторые экзотермические позвоночные и некоторые беспозвоночные, например артемии , ^{[ 13 ]} копеподы , ^{[ 14 ]} нематоды, ^{[ 15 ]} и губчатые геммулы , ^{[ 16 ]} способны выживать в кажущемся неактивном состоянии в бескислородных условиях от месяцев до десятилетий.

Исследования метаболической активности этих бездействующих организмов во время аноксии в основном не дали результатов. Это связано с тем, что трудно измерить очень небольшую степень метаболической активности достаточно надежно, чтобы доказать криптобиотическое состояние, а не обычное снижение скорости метаболизма (MRD). Многие эксперты скептически относятся к биологической возможности аноксибиоза, поскольку организму удается предотвратить повреждение своих клеточных структур отрицательной свободной энергией окружающей среды, несмотря на то, что он окружен большим количеством воды и тепловой энергии и не использует никакой собственной свободной энергии. . Однако есть доказательства того, что стресс-индуцированный белок p26 может действовать как белок-шаперон, который не требует энергии в кистозных эмбрионах Artemia franciscana ( морская обезьяна ), и, скорее всего, чрезвычайно специализированный и медленный путь гуанинового полинуклеотида продолжает обеспечивать метаболическую свободную энергию для эмбрионы A. franciscana в аноксических условиях. Похоже, что A. franciscana приближается к истинному аноксибиозу, но не достигает его. ^{[ 17 ]}

Хемобиоз

Хемобиоз — это криптобиотическая реакция на высокие уровни токсинов окружающей среды. Это наблюдалось у тихоходок . ^{[ 18 ]}

Криобиоз

Криобиоз — это форма криптобиоза, возникающая в результате реакции на понижение температуры . Криобиоз начинается, когда вода, окружающая клетки организма, замерзает. Остановка подвижности молекул позволяет организму переносить низкие температуры до тех пор, пока не вернутся более благоприятные условия. Организмы, способные выдерживать такие условия, обычно содержат молекулы, которые способствуют замерзанию воды в предпочтительных местах, а также препятствуют росту крупных кристаллов льда, которые в противном случае могли бы повредить клетки. ^{[ нужна ссылка ]} Одним из таких организмов является омар . ^{[ 19 ]}

Осмобиоз

Осмобиоз — наименее изученный из всех видов криптобиоза. Осмобиоз возникает в ответ на повышенную концентрацию растворенных веществ в растворе, в котором живет организм. Мало что известно наверняка, кроме того, что осмобиоз, по-видимому, связан с прекращением метаболизма. ^{[ 18 ]}

Примеры

Креветка Artemia salina , которую можно найти в горах Макгадикгади в Ботсване , ^{[ 20 ]} выживает в засушливый сезон, когда вода из водоемов испаряется, оставляя практически высохшее дно озера.

Тихоходка , или водяной медведь , может подвергаться всем пяти типам криптобиоза. В криптобиотическом состоянии его метаболизм снижается до менее чем 0,01% от нормального, а содержание воды может упасть до 1% от нормального. ^{[ 21 ]} Он может выдерживать экстремальные температуры , радиацию и давление , находясь в криптобиотическом состоянии. ^{[ 22 ]}

Некоторые нематоды и коловратки также могут подвергаться криптобиозу. ^{[ 23 ]}

См. также

Биостаз – справляться с изменениями окружающей среды без адаптации.
Криобиология - Раздел биологии.
Крионика – замораживание человеческого трупа.
Криптобиотическая почва — сообщества живых организмов на поверхности почвы в засушливых и полузасушливых экосистемах.
Спячка – физиологическое состояние бездействия, необходимое для того, чтобы пережить зимний сезон.
Лиоконсервация – Метаболическое состояние жизни.

Ссылки

^ Бартельс, Доротея; Саламини, Франческо (декабрь 2001 г.). «Толерантность к высыханию воскрешающего растения Craterostigma plantagineum. Вклад в изучение засухоустойчивости на молекулярном уровне» . Физиология растений . 127 (4): 1346–1353. дои : 10.1104/стр.010765 . ПМК 1540161 . ПМИД 11743072 .
^ Калахан, Дин; Данэм, Майтрейя; ДеСево, Крис; Кошланд, Дуглас Э. (октябрь 2011 г.). «Генетический анализ устойчивости к высыханию у Sachharomyces cerevisiae» . Генетика . 189 (2): 507–519. дои : 10.1534/genetics.111.130369 . ПМК 3189811 . ПМИД 21840858 .
^ Шен-Миллер, Дж; Маджетт, Мэри Бет; Шопф, Дж. Уильям; Кларк, Стивен; Бергер, Райнер (ноябрь 1995 г.). «Исключительная долговечность семян и сильный рост: древний священный лотос из Китая». Американский журнал ботаники . 82 (11): 1367–1380. дои : 10.2307/2445863 . JSTOR 2445863 .
^ Эркут, Джихан; Пеньков, Сидер; Фахми, Карим; Курцчалия, Теймурас В. (январь 2012 г.). «Как черви переживают высыхание: Трегалоза за воду» . Червь . 1 (1): 61–65. дои : 10.4161/worm.19040 . ПМК 3670174 . ПМИД 24058825 .
^ Таннаклифф, Алан; Лапински, Йенс; МакГи, Брайан (сентябрь 2005 г.). «Предположительный белок LEA, но не трегалоза, присутствует в ангидробиотических бделлоидных коловратках». Гидробиология . 546 (1): 315–321. дои : 10.1007/s10750-005-4239-6 . S2CID 13072689 .
^ Эркут, Джихан; Пеньков, Сидер; Хесбак, Хасан; Воркель, Даниэла; Вербавац, Жан-Марк; Фахми, Карим; Курцчалия, Теймурас В. (август 2011 г.). «Трегалоза делает личинку дауера Caenorhabditis elegans устойчивой к сильному высыханию» . Современная биология . 21 (15): 1331–1336. Бибкод : 2011CBio...21.1331E . дои : 10.1016/j.cub.2011.06.064 . ПМИД 21782434 . S2CID 18145344 .
^ Эркут, Джихан; Василь, Андрей; Боланд, Себастьян; Хаберманн, Бьянка; Шевченко, Андрей; Курцчалия, Теймурас V (декабрь 2013 г.). «Молекулярные стратегии личинки Caenorhabditis elegans dauer по выживанию в условиях сильного высыхания» . ПЛОС ОДИН . 8 (12): е82473. Бибкод : 2013PLoSO...882473E . дои : 10.1371/journal.pone.0082473 . ПМЦ 3853187 . ПМИД 24324795 .
^ «Большие надежды на уколы без холодильника» . Новости Би-би-си . 19 октября 2004 г.
^ Ян, Гир; Гилстрап, Кайл; Чжан, Айли; Сюй, Лиза Х.; Хэ, Сяомин (1 июня 2010 г.). «Температура коллапса растворов важна для лиоконсервации живых клеток при температуре окружающей среды». Биотехнология и биоинженерия . 106 (2): 247–259. дои : 10.1002/бит.22690 . ПМИД 20148402 . S2CID 20748794 .
^ Чакраборти, Нилай; Чанг, Энтони; Эльмоазен, Хайди; Мензе, Майкл А.; Хэнд, Стивен С.; Тонер, Мехмет (2011). «Техника центрифугирования для лиоконсервации клеток млекопитающих». Анналы биомедицинской инженерии . 39 (5): 1582–1591. дои : 10.1007/s10439-011-0253-1 . ПМИД 21293974 . S2CID 11204697 .
^ Ян Г, Гилстрап К., Чжан А., Сюй LX, Хэ X. «Температура коллапса растворов важна для лиоконсервации живых клеток при температуре окружающей среды». Биотехнология Биоинж. 1 июня 2010 г.; 106 (2): 247–259.
^ Чакраборти Н., Чанг А., Эльмоаззен Х., Мензе М.А., Хэнд С.С., Тонер М. «Техника центрифужной сушки для лиоконсервации клеток млекопитающих». Энн Биомед Инж. Май 2011 г.;39(5):1582–1591.
^ Клегг и др. 1999 год
^ Маркус и др., 1994.
^ Кроу и Купер, 1971.
^ Райсвиг и Миллер, 1998 г.
^ Клегг, Джеймс С. (2001). «Криптобиоз – своеобразное состояние биологической организации». Сравнительная биохимия и физиология Б . 128 (4): 613–624. дои : 10.1016/S1096-4959(01)00300-1 . ПМИД 11290443 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Мёбьерг, Н.; Хальберг, Калифорния; Йоргенсен, А.; Перссон, Д.; Бьёрн, М.; Рамлёв, Х.; Кристенсен, РМ (2011). «Выживание в экстремальных условиях – о современных знаниях об адаптации тихоходок» . Акта Физиологика . 202 (3): 409–420. дои : 10.1111/j.1748-1716.2011.02252.x . ПМИД 21251237 . S2CID 20894284 .
^ «Замороженные лобстеры возвращены к жизни» . 18 марта 2004 г.
^ К. Майкл Хоган (2008) Макгадикгади , Мегалитический портал, изд. А. Бернэм
^ Пайпер, Росс (2007), Необыкновенные животные: Энциклопедия любопытных и необычных животных , Greenwood Press .
^ Уэслианского университета Иллинойса Факты о тихоходках
^ Ватанабэ, Масахико (2006). «Ангидробиоз у беспозвоночных» . Прил. Энтомол. Зоол . 41 (1): 15–31. Бибкод : 2006AppEZ..41...15W . дои : 10.1303/aez.2006.15 .

Дальнейшее чтение

Дэвид А. Уортон, Жизнь на грани: организмы в экстремальных условиях, Cambridge University Press, 2002, твердый переплет, ISBN 0-521-78212-0

[1] Бартельс, Доротея; Саламини, Франческо (декабрь 2001 г.). «Толерантность к высыханию воскрешающего растения Craterostigma plantagineum. Вклад в изучение засухоустойчивости на молекулярном уровне» . Физиология растений . 127 (4): 1346–1353. дои : 10.1104/стр.010765 . ПМК 1540161 . ПМИД 11743072 .

[2] Калахан, Дин; Данэм, Майтрейя; ДеСево, Крис; Кошланд, Дуглас Э. (октябрь 2011 г.). «Генетический анализ устойчивости к высыханию у Sachharomyces cerevisiae» . Генетика . 189 (2): 507–519. дои : 10.1534/genetics.111.130369 . ПМК 3189811 . ПМИД 21840858 .

[3] Шен-Миллер, Дж; Маджетт, Мэри Бет; Шопф, Дж. Уильям; Кларк, Стивен; Бергер, Райнер (ноябрь 1995 г.). «Исключительная долговечность семян и сильный рост: древний священный лотос из Китая». Американский журнал ботаники . 82 (11): 1367–1380. дои : 10.2307/2445863 . JSTOR 2445863 .

[4] Эркут, Джихан; Пеньков, Сидер; Фахми, Карим; Курцчалия, Теймурас В. (январь 2012 г.). «Как черви переживают высыхание: Трегалоза за воду» . Червь . 1 (1): 61–65. дои : 10.4161/worm.19040 . ПМК 3670174 . ПМИД 24058825 .

[5] Таннаклифф, Алан; Лапински, Йенс; МакГи, Брайан (сентябрь 2005 г.). «Предположительный белок LEA, но не трегалоза, присутствует в ангидробиотических бделлоидных коловратках». Гидробиология . 546 (1): 315–321. дои : 10.1007/s10750-005-4239-6 . S2CID 13072689 .

[6] Эркут, Джихан; Пеньков, Сидер; Хесбак, Хасан; Воркель, Даниэла; Вербавац, Жан-Марк; Фахми, Карим; Курцчалия, Теймурас В. (август 2011 г.). «Трегалоза делает личинку дауера Caenorhabditis elegans устойчивой к сильному высыханию» . Современная биология . 21 (15): 1331–1336. Бибкод : 2011CBio...21.1331E . дои : 10.1016/j.cub.2011.06.064 . ПМИД 21782434 . S2CID 18145344 .

[7] Эркут, Джихан; Василь, Андрей; Боланд, Себастьян; Хаберманн, Бьянка; Шевченко, Андрей; Курцчалия, Теймурас V (декабрь 2013 г.). «Молекулярные стратегии личинки Caenorhabditis elegans dauer по выживанию в условиях сильного высыхания» . ПЛОС ОДИН . 8 (12): е82473. Бибкод : 2013PLoSO...882473E . дои : 10.1371/journal.pone.0082473 . ПМЦ 3853187 . ПМИД 24324795 .

[8] «Большие надежды на уколы без холодильника» . Новости Би-би-си . 19 октября 2004 г.

[9] Ян, Гир; Гилстрап, Кайл; Чжан, Айли; Сюй, Лиза Х.; Хэ, Сяомин (1 июня 2010 г.). «Температура коллапса растворов важна для лиоконсервации живых клеток при температуре окружающей среды». Биотехнология и биоинженерия . 106 (2): 247–259. дои : 10.1002/бит.22690 . ПМИД 20148402 . S2CID 20748794 .

[10] Чакраборти, Нилай; Чанг, Энтони; Эльмоазен, Хайди; Мензе, Майкл А.; Хэнд, Стивен С.; Тонер, Мехмет (2011). «Техника центрифугирования для лиоконсервации клеток млекопитающих». Анналы биомедицинской инженерии . 39 (5): 1582–1591. дои : 10.1007/s10439-011-0253-1 . ПМИД 21293974 . S2CID 11204697 .

[11] Ян Г, Гилстрап К., Чжан А., Сюй LX, Хэ X. «Температура коллапса растворов важна для лиоконсервации живых клеток при температуре окружающей среды». Биотехнология Биоинж. 1 июня 2010 г.; 106 (2): 247–259.

[12] Чакраборти Н., Чанг А., Эльмоаззен Х., Мензе М.А., Хэнд С.С., Тонер М. «Техника центрифужной сушки для лиоконсервации клеток млекопитающих». Энн Биомед Инж. Май 2011 г.;39(5):1582–1591.

[13] Клегг и др. 1999 год

[14] Маркус и др., 1994.

[15] Кроу и Купер, 1971.

[16] Райсвиг и Миллер, 1998 г.

[17] Клегг, Джеймс С. (2001). «Криптобиоз – своеобразное состояние биологической организации». Сравнительная биохимия и физиология Б . 128 (4): 613–624. дои : 10.1016/S1096-4959(01)00300-1 . ПМИД 11290443 .

[auto-18] Перейти обратно: ^а ^б Мёбьерг, Н.; Хальберг, Калифорния; Йоргенсен, А.; Перссон, Д.; Бьёрн, М.; Рамлёв, Х.; Кристенсен, РМ (2011). «Выживание в экстремальных условиях – о современных знаниях об адаптации тихоходок» . Акта Физиологика . 202 (3): 409–420. дои : 10.1111/j.1748-1716.2011.02252.x . ПМИД 21251237 . S2CID 20894284 .

[19] «Замороженные лобстеры возвращены к жизни» . 18 марта 2004 г.

[20] К. Майкл Хоган (2008) Макгадикгади , Мегалитический портал, изд. А. Бернэм

[21] Пайпер, Росс (2007), Необыкновенные животные: Энциклопедия любопытных и необычных животных , Greenwood Press .

[22] Уэслианского университета Иллинойса Факты о тихоходках

[23] Ватанабэ, Масахико (2006). «Ангидробиоз у беспозвоночных» . Прил. Энтомол. Зоол . 41 (1): 15–31. Бибкод : 2006AppEZ..41...15W . дои : 10.1303/aez.2006.15 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]