En uppsättning abiotiska stressfaktorer utgör flera utmaningar för livet i havet på grund av deras utbredda inflytande på alla klasser av biokemiska system. Variationer i temperatur, hydrostatiskt tryck och salthalt har potential att störa strukturer och funktioner i alla molekylära system som livet beror på. I en artikel publicerad i Marine Life Science &Technology , Professor Somero fokuserar till stor del på en klass av stressoreffekter som utmanar prestandan hos alla typer av stora molekylära system:proteiner, nukleinsyror och lipoproteinmembran.

De störande effekterna av dessa stressorer på biokemisk nivå beror ofta på deras potential att störa den fina balansen som behövs mellan stabilitet och flexibilitet hos de högre ordningens strukturer i dessa stora molekylära system, som till stor del stabiliseras av icke-kovalenta (svaga) kemiska bindningar som vätebindningar, joninteraktioner och hydrofoba effekter. Viktigt är att alla makromolekylära system i en cell måste hitta denna balans mellan flexibilitet och stabilitet om en organisms fysiologi ska fungera optimalt.

Denna fysiologiskt viktiga balans mellan stabilitet och flexibilitet hos strukturen i stora molekylära system uppnås på två principiella sätt. För det första, under evolutionen, leder de abiotiska förhållanden som en organism står inför till genetiskt baserade anpassningar i konformationsstabiliteten hos proteiner och vissa typer av nukleinsyror, och skillnader i lipidkompositioner. Dessa inneboende anpassningar anger att de är kodade i organismens genom. För det andra, som komplement till dessa inneboende, sekvensbaserade anpassningar i makromolekylär struktur är förändringar i de kemiska sammansättningarna - det "mikromolekylära innehållet" - av biologiska lösningar som badar makromolekyler och påverkar deras stabilitet och funktioner. Små organiska lösta ämnen - organiska osmolyter - spelar en central roll i dessa adaptiva svar. Dessa yttre anpassningar på grund av osmolyter underlättar bibehållandet av de utvecklade skillnaderna i makromolekylär stabilitet under olika miljöförhållanden.

Artikeln utvecklar en parallell analys mellan adaptiva svar på två viktiga fysiska stressfaktorer i haven, temperatur och hydrostatiskt tryck. För båda stressorerna är inre och yttre adaptiva förändringar mycket viktiga. Analysen fokuserar på följande två frågor för att diskutera de adaptiva förändringarna i osmolytsystem. För det första, varierar den makromolekylära stabiliserande kraften hos den intracellulära osmolytpoolen med evolutionär anpassningstemperatur (eller tryck) och med den senaste termiska (eller tryck)exponeringen av organismerna (acklimatiseringseffekter)? För det andra, vid modulering av den stabiliserande kraften hos osmolytpoolen, innebär adaptiva förändringar förändringar i de typer av osmolyter som används, förändringar i deras absoluta eller relativa koncentrationer, eller en kombination av båda dessa strategier?

Omfattningen av miljötolerans hos en art kan bero på hur effektivt osmolytsammansättningen av dess cellulära vätska kan förändras i ansiktet av stress. Studien drar följande fyra huvudslutsatser:För det första, i de flesta marina organismer kan organiska osmolyter upprätthålla (eller återställa) den optimala balansen mellan makromolekylär stelhet och flexibilitet, vilket är en biologisk nyckel till makromolekylernas optimala funktion. För det andra kan adaptiva förändringar i sammansättningen och koncentrationen av osmolytpoolen ha effekter på makromolekyler och biofilmsystem och spela en viktig roll för att etablera den optimala miljötoleransen för organismer. För det tredje varierar stabiliserande osmolyter mycket i hur effektivt de förbättrar stabiliteten hos makromolekyler. För det fjärde kan osmolytsystemens förmåga att finjustera stabiliseringspotentialen hos cellvätskor inför kroppstemperatur (eller tryck) förändringar som inträffar under olika tidsperioder hjälpa organismer att motstå effekterna av miljöförändringar, särskilt de förändringar i temperatur som uppstår pga. till global uppvärmning.

Den här artikeln ger inte bara marinbiologer viktig ny information om hur marint liv anpassar sig till havets abiotiska stressfaktorer, utan dessa undersökningar lär också fysikaliska biokemister kritiska saker om fysiken för interaktioner mellan vatten och lösta ämnen och, för den tekniskt sinnade, föreslår nya strategier för att utveckla lösningar som hjälper till att stabilisera och bevara biologiska material.