Биостаз

Биостаз – это способность организма переносить изменения окружающей среды без необходимости активной адаптации к ним. Биостаз обнаруживается у организмов, которые живут в средах обитания, которые, вероятно, сталкиваются с неблагоприятными условиями жизни, такими как засуха, отрицательные температуры, изменение уровня pH, давления или температуры. Чтобы выжить в этих условиях, насекомые впадают в состояние покоя, называемое диапаузой . Диапауза может быть необходима для выживания этих насекомых. Насекомое также может претерпевать изменения до наступления исходного события. ^[1]

Микроорганизмы

Биостаз в этом контексте также является синонимом жизнеспособного, но некультивируемого состояния . В прошлом ^{[ когда? ]} когда бактерии больше не росли на питательных средах, считалось, что они мертвы. Теперь мы можем понять, что существует множество случаев, когда бактериальные клетки могут перейти в биостаз или анабиоз, не могут расти на среде и при реанимации снова становятся пригодными для культивирования. Состояние VBNC отличается от «состояния выживания при голодании» (когда клетка просто значительно снижает метаболизм ). Клетки бактерий могут перейти в состояние VBNC в результате воздействия некоторых внешних стрессоров, таких как «голодание, инкубация за пределами температурного диапазона роста, повышенные осмотические концентрации (морская вода), концентрации кислорода или воздействие белого света». Любой из этих случаев может легко означать смерть бактерии, если она не сможет войти в состояние покоя. Также было замечено, что во многих случаях считалось, что бактерии были уничтожены ( пастеризация молока), а затем вызвали порчу или вредные последствия для потребителей, поскольку бактерии перешли в состояние VBNC.

Воздействие на клетки, входящие в состояние VBNC, включает «карликовость, изменения метаболической активности, снижение транспорта питательных веществ, скорости дыхания и макромолекулярного синтеза». Однако биосинтез продолжается, и создаются шоковые белки. Самое главное, было замечено, что уровни и выработка АТФ остаются высокими, в отличие от умирающих клеток, которые демонстрируют быстрое снижение образования и удержания. Также наблюдались изменения клеточных стенок бактерий в состоянии VBNC. В Escherichia coli наблюдалось большое количество поперечных связей в пептидогликанах. Также наблюдалось, что аутолитическая способность клеток VBNC намного выше, чем у клеток, находящихся в состоянии роста.

Гораздо легче перевести бактерии в состояние VBNC, и как только бактериальные клетки перешли в состояние VBNC, очень трудно вернуть их в культивируемое состояние. «Они исследовали некультивируемость и реанимацию у Legionella pneumophila , и хотя вход в это состояние легко вызывался питательным голоданием, реанимация могла быть продемонстрирована только после совместной инкубации клеток VBNC с амебой . Acanthamoeba Castellani »

Фунгистаз или микостаз — это естественное состояние VBNC (жизнеспособное, но некультивируемое), обнаруживаемое у грибов в почве. Уотсон и Форд определили фунгистаз как «когда жизнеспособные грибные побеги, которые не подвержены эндогенному или конститутивному покою, не прорастают в почве при благоприятных для нее условиях температуры или влажности или рост грибных гиф замедляется или прекращается под действием условий почвенной среды, отличных от температура или влажность». По сути (и в основном это наблюдается в почве в природе), было обнаружено, что несколько типов грибов переходят в состояние VBNC в результате внешних стрессоров (температура, доступные питательные вещества, доступность кислорода и т. д.) или вообще в результате отсутствия наблюдаемых стрессоров.

Текущие исследования

1 марта 2018 года Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) объявило о своей новой программе биостаза под руководством доктора Тристана МакКлюра-Бегли. Целью программы «Биостаз» является разработка новых возможностей продления « золотого часа» у пациентов, перенесших травматическое повреждение, за счет замедления человеческого организма на клеточном уровне, удовлетворения потребности в дополнительном времени непрерывно действующих биологических систем, столкнувшихся с катастрофическими жизненными ситуациями. - угрожающие события. Используя молекулярную биологию, программа стремится контролировать скорость, с которой работают живые системы, и найти способ «замедлить жизнь, чтобы спасти жизнь». ^[2]

20 марта 2018 года команда Biostasis провела вебинар , в ходе которого, наряду с широким объявлением агентства (BAA), запросил предложения о пятилетних исследованиях от сторонних организаций. Полные предложения должны были быть представлены 22 мая 2018 года. ^[3]

Возможные подходы

На своем DARPA вебинаре обрисовало ряд возможных исследовательских подходов для проекта «Биостаз». Эти подходы основаны на исследованиях диапаузы тихоходок , и лесных лягушек которые позволяют предположить, что избирательная стабилизация внутриклеточных механизмов происходит на уровне белков . ^[2]

Белковый сопровождающий

В молекулярной биологии молекулярные шапероны — это белки, которые помогают сворачивать, разворачивать, собирать или разбирать другие макромолекулярные структуры. В типичных условиях молекулярные шапероны способствуют изменениям формы ( конформационным изменениям ) макромолекул в ответ на изменения факторов окружающей среды, таких как температура , pH и напряжение . Уменьшая конформационную гибкость, ученые могут ограничить функцию определенных белков. ^[3] Недавние исследования показали, что белки беспорядочны или способны выполнять работу помимо той, для которой они эволюционировали. ^[4] Кроме того, распущенность белков играет ключевую роль в адаптации видов к новой среде обитания. ^[4] Вполне возможно, что поиск способа контролировать конформационные изменения в беспорядочных белках позволит ученым вызывать биостаз в живых организмах. ^[3]

Внутриклеточная скученность

Скученность клеток является важнейшим аспектом биологических систем. ^[5] Внутриклеточная скученность означает, что функция белка и его взаимодействие с водой ограничены, когда внутренняя часть клетки переполнена. ^[3] Внутриклеточные органеллы представляют собой либо мембраносвязанные везикулы, либо безмембранные компартменты, которые разделяют клетку на компартменты и обеспечивают пространственно-временной контроль биологических реакций. ^[6] Вводя эти внутриклеточные полимеры в биологическую систему и манипулируя плотностью клеток, ученые смогут замедлить скорость биологических реакций в системе.

Белки, нарушенные тихоходкой

Тихоходки — это микроскопические животные , которые способны входить в состояние диапаузы и выдерживать целый ряд стрессовых факторов окружающей среды, включая замораживание и высыхание . ^[1] Исследования показали, что внутренне неупорядоченные белки в этих организмах могут стабилизировать функцию клеток и защитить от экстремальных стрессовых факторов окружающей среды. ^[7] Используя пептидную инженерию, возможно, ученые смогут ввести внутренне неупорядоченные белки в биологические системы более крупных животных организмов. ^[3] Это может позволить более крупным животным войти в состояние биостаза, подобное состоянию тихоходок при экстремальном биологическом стрессе.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Карен Линдал и Сьюзи Балсер (2 октября 1999 г.). «Факты о тихоходках» . Иллинойсский Уэслианский университет . Проверено 14 сентября 2016 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Замедление биологического времени, чтобы продлить золотой час жизненно необходимого лечения» . www.darpa.mil . Проверено 21 мая 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и «Быстрая оценка угроз (RTA)» (PDF) . www.darpa.mil . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 21 мая 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б Университет, Мэсси. «Беспорядочный белок» . НаукаАлерт . Проверено 26 мая 2018 г.
^ «Как внутриклеточная скученность меняет все» . ПРОВОДНОЙ . Проверено 26 мая 2018 г.
^ Брангвинн, Клиффорд П.; Томпа, Питер; Паппу, Рохит В. (3 ноября 2015 г.). «Полимерная физика внутриклеточных фазовых переходов». Физика природы . 11 (11): 899–904. Бибкод : 2015NatPh..11..899B . дои : 10.1038/nphys3532 . ISSN 1745-2473 .
^ Бутби, Томас К.; Тапиа, Хьюго; Брожена, Александра Х.; Пишкевич, Саманта; Смит, Остин Э.; Джованнини, Илария; Ребекки, Лорена; Пилак, Гэри Дж .; Кошланд, Дуг (2017). «Тихоходки используют внутренне неупорядоченные белки, чтобы выжить при высыхании» . Молекулярная клетка . 65 (6): 975–984.е5. doi : 10.1016/j.molcel.2017.02.018 . ISSN 1097-2765 . ПМК 5987194 . ПМИД 28306513 .

Оливер, Джеймс Д. «Жизнеспособное, но некультивируемое состояние бактерий». Журнал микробиологии 43.1 (2005): 93-100.
Фунгистаз и общий биостаз почвы. Новый синтез Паолина Гарбева, В.Х. Гера Холб, Аад Дж. Терморшуиценц, Джордж А. Ковальчука, Витсе де Бур
Уотсон, А.Г., Форд Э.Дж., 1972. Почвенный фунгистаз — переоценка. Ежегодный обзор фитопатологии 10, 327.

[:0-1] Jump up to: ^а ^б Карен Линдал и Сьюзи Балсер (2 октября 1999 г.). «Факты о тихоходках» . Иллинойсский Уэслианский университет . Проверено 14 сентября 2016 г.

[:1-2] Jump up to: ^а ^б «Замедление биологического времени, чтобы продлить золотой час жизненно необходимого лечения» . www.darpa.mil . Проверено 21 мая 2018 г.

[:2-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и «Быстрая оценка угроз (RTA)» (PDF) . www.darpa.mil . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 21 мая 2018 г.

[:3-4] Jump up to: ^а ^б Университет, Мэсси. «Беспорядочный белок» . НаукаАлерт . Проверено 26 мая 2018 г.

[5] «Как внутриклеточная скученность меняет все» . ПРОВОДНОЙ . Проверено 26 мая 2018 г.

[6] Брангвинн, Клиффорд П.; Томпа, Питер; Паппу, Рохит В. (3 ноября 2015 г.). «Полимерная физика внутриклеточных фазовых переходов». Физика природы . 11 (11): 899–904. Бибкод : 2015NatPh..11..899B . дои : 10.1038/nphys3532 . ISSN 1745-2473 .

[7] Бутби, Томас К.; Тапиа, Хьюго; Брожена, Александра Х.; Пишкевич, Саманта; Смит, Остин Э.; Джованнини, Илария; Ребекки, Лорена; Пилак, Гэри Дж .; Кошланд, Дуг (2017). «Тихоходки используют внутренне неупорядоченные белки, чтобы выжить при высыхании» . Молекулярная клетка . 65 (6): 975–984.е5. doi : 10.1016/j.molcel.2017.02.018 . ISSN 1097-2765 . ПМК 5987194 . ПМИД 28306513 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]