En tardigrad fångad av ett elektronmikroskop. Trots sin ringa storlek innehåller de en mängd biologiska hemligheter. Kredit:S Tanaka, H Sagara, T Kunieda.
Vissa arter av tardigrader, eller vattenbjörnar som de små vattenlevande varelserna också är kända, kan överleva i olika miljöer, ofta fientliga eller till och med dödliga för de flesta livsformer. För första gången beskriver forskare en ny mekanism som förklarar hur vissa tardigrader kan utstå extrem uttorkning utan att dö. De utforskade proteiner som bildar en gel under cellulär uttorkning. Denna gel stelnar för att stödja och skydda cellerna från mekanisk stress som annars skulle döda dem. Dessa proteiner har också visat sig fungera i insektsceller och visar till och med begränsad funktionalitet i mänskliga odlade celler.
Tardigrader drar ofta uppmärksamhet till sig själva, trots att de är så små. Deras kusliga förmåga att överleva i situationer som skulle döda de flesta organismer har fångat allmänhetens fantasi. Man skulle lätt kunna föreställa sig att vi genom att avkoda deras hemligheter kunde tillämpa kunskapen på oss själva för att göra människor mer motståndskraftiga mot extrema temperaturer, tryck och till och med uttorkning. Det här är bara science fiction för tillfället, men ändå försöker forskare, också fängslade av de mikroskopiska varelserna, förstå de mekanismer som är ansvariga för deras robusthet, eftersom detta också kan ge andra fördelar.
"Även om vatten är viktigt för allt liv vi känner till, kan vissa tardigrader leva utan det potentiellt i årtionden. Tricket ligger i hur deras celler hanterar denna stress under uttorkningsprocessen", säger docent Takekazu Kunieda från University of Tokyos universitet. Institutionen för biologiska vetenskaper.
"Man tror att när vatten lämnar en cell måste något slags protein hjälpa cellen att bibehålla sin fysiska styrka för att undvika att kollapsa i sig själv. Efter att ha testat flera olika typer har vi funnit att cytoplasmatiska-rikliga värmelösliga (CAHS) proteiner, unika för tardigrader, är ansvariga för att skydda sina celler mot uttorkning."
Ny forskning om CAHS-proteiner visar att de kan känna när cellen som kapslar in dem blir uttorkad, och det är då de börjar agera. CAHS-proteiner bildar gelliknande filament när de torkar ut. Dessa bildar nätverk som stödjer cellens form när den förlorar sitt vatten. Processen är reversibel, så när tardigradcellerna blir rehydrerade dras filamenten tillbaka i en takt som inte orsakar onödig stress på cellen. Intressant nog uppvisade proteinerna samma typ av verkan även när de isolerades från tardigradceller.
"Att försöka se hur CAHS-proteiner betedde sig i insekts- och mänskliga celler gav några intressanta utmaningar", säger huvudförfattaren Akihiro Tanaka, en doktorand i labbet. "För det första, för att visualisera proteinerna, behövde vi färga dem så att de dyker upp under våra mikroskop. Den typiska färgningsmetoden kräver dock lösningar som innehåller vatten, vilket uppenbarligen förvirrar alla experiment där vattenkoncentrationen är en faktor man försöker Så vi vände oss till en metanolbaserad lösning för att komma runt det här problemet."
Forskning om mekanismer relaterade till torrkonservering av celler eller organismer kan ha många framtida tillämpningar. Kunieda och hans team hoppas att forskare genom denna nya kunskap kan hitta sätt att förbättra bevarandet av cellmaterial och biomolekyler i torrt tillstånd. Detta kan förlänga hållbarheten för material som används för forskning, läkemedel med korta utgångsdatum, eller kanske till och med hela organ som behövs för transplantationer.
Svepelektronmikroskopbild av den uttorkade tardigraden, Ramazzottius varieornatus. Kredit:Tanaka S, Sagara H, Kunieda T
"Allt med tardigrader är fascinerande. Det extrema utbudet av miljöer som vissa arter kan överleva leder till att vi utforskar aldrig tidigare skådade mekanismer och strukturer. För en biolog är detta fält en guldgruva", säger Kunieda. "Jag kommer aldrig att glömma nyårsdagen 2019, när jag fick ett e-postmeddelande från Tomomi Nakano, en annan författare till tidningen. Hon hade arbetat sent med att försöka se kondensationen av CAHS-proteiner och observerade de första CAHS-filamentnätverken i mänskliga odlade celler . Jag blev förvånad över att se så tydligt definierade mikroskopiska bilder av dessa. Det var första gången jag hade sett något sådant. Det var verkligen ett mycket gott nytt år!"
Att veta hur man isolerar och aktiverar dessa speciella proteiner är dock bara början. Kunieda och hans team planerar att sålla igenom mer än 300 andra typer av proteiner, av vilka några troligen spelar en roll i den otroliga livsbevarande förmågan hos dessa små vattenbjörnar.
Forskningen publicerades i PLoS Biology .
