Forskare har upptäckt hur en kemikalie i cellerna hos marina organismer gör det möjligt för dem att överleva de höga trycken som finns i de djupa haven.

Ju djupare havsdjur lever, desto mer ogästvänlig och extrem miljö måste de klara av. I en av de djupaste punkterna i Stilla havet – Mariangraven, 11 kilometer under havsytan – är trycket 1,1 kbar eller åtta ton per kvadrattum. Det är en 1100-faldig ökning av trycket som upplevs på jordens yta.

Under normalt eller atmosfäriskt tryck bildar vattenmolekyler ett tetraederliknande nätverk.

Nätverk av vattenmolekyler ändrar form

Vid högt tryck börjar dock nätverket av vattenmolekyler att förvrängas och ändra form. När detta händer med vattnet inuti levande celler förhindrar det vitala biokemiska processer från att äga rum - och dödar organismen.

I rapporteringen av sina fynd har forskarna i Leeds för första gången kunnat ge en förklaring till hur en molekyl som finns i cellerna hos marina organismer motverkar effekten av yttre tryck på vattenmolekylerna.

Professor Lorna Dougan, från School of Physics and Astronomy i Leeds, sa:"Livet har anpassat sig för att överleva och frodas i extrema miljöer. I havens djup lever organismer under extremt höga tryck som skulle förstöra människoliv.

"Dessa höga tryck förvränger det flytande vattnet som finns i allt liv, vilket resulterar i skadliga effekter på de biomolekyler som ligger till grund för alla biologiska processer.

"Vi måste förstå vad som händer med vatten under tryck och hur tryckanpassade organismer bekämpar dessa effekter. Om vi ​​kan förstå hur dessa organismer överlever vid extremt tryck kan vi tillämpa dessa fynd på den bredare studien av biomolekylär stabilitet."

Trimetylamin-N-oxid eller TMAO

Molekylen som finns i celler som ger den skyddande effekten mot högt yttre tryck kallas TMAO—trimetylamin N-oxid. Studier har visat att mängden TMAO i havslevande organismer ökar i takt med djupet av deras livsmiljö.

Under ledning av Dr. Harrison Laurent, även han från School of Physics and Astronomy, använde studien en av de mest avancerade analysanläggningarna i världen för att undersöka hur intensivt tryck förändrar vätebindningarna mellan närliggande vattenmolekyler.

Neutronspridning

Kallad ISIS Neutron and Muon Source, användes analysanläggningen vid STFC Rutherford Appleton Laboratory i Oxfordshire för att avfyra en stråle av neutroner – som är subatomära partiklar – mot prover av vatten med och utan TMAO. Analysen gjordes vid lågt tryck, 25 bar, och vid högt tryck, 4 kbar.

Testet avslöjade detaljer om vattenmolekylernas atomära struktur.

Vid högt tryck blev vätebindningarna i det rena vattenprovet förvrängda och mindre stabila och det övergripande nätverket av vattenmolekyler kompakterades.

Närvaron av TMAO stärkte och stabiliserade emellertid vätebindningen och bibehöll vattenmolekylernas nätverksstruktur.

Dr Laurent sa:"TMAO tillhandahåller ett strukturellt ankare som resulterar i att vattnet kan stå emot det extrema trycket det är under. Fynden är viktiga eftersom de hjälper forskare att förstå de processer genom vilka organismer har anpassat sig för att överleva de extrema förhållanden som påträffats. i haven."

Från studien har forskargruppen också kunnat utveckla vad som kallas ett "osmolyte protection ratio", som förutsäger nivån av TMAO som behövs i cellerna hos marina organismer så att de kan överleva på ett specifikt djup i haven.

Professor Dougan tillade:"Professor Dougan tillade:"Vår studie ger en brygga mellan vatten under tryck på molekylär nivå och den underbara förmågan hos organismer som trivs under högt tryck i djupen av haven.

"Nyligen publicerad forskning har avslöjat nya arter som lever på botten av de djupa haven. Vi förstår nu de anmärkningsvärda anpassningarna som har gjort det möjligt för livet att utnyttja dessa livsmiljöer."

Den vetenskapliga artikeln - "Förmågan hos trimetylamin N-oxid att motstå tryckinducerade störningar av vattenstrukturen" - publiceras i den vetenskapliga tidskriften Communications Chemistry . + Utforska vidare

Den roll som lösningsmedel spelar vid extremt tryck