הישרדות בעומקים קיצוניים: כיצד ג'לי מסרק מתריסים בלחץ האוקיינוס

חוקרי UC San Diego גילו שלקטנופורים בים העמוק יש התאמות שומנים ייחודיות, הנקראות "הומיאו-עקמומיות", המאפשרות הישרדות בלחצים גבוהים. ממצאים אלו עשויים לסייע בהבנת מחלות כמו אלצהיימרשבו שומנים דומים משחקים תפקיד.

הים העמוק הוא אחת הסביבות העוינות ביותר על פני כדור הארץ. הטמפרטורה קרה מקפיאה, אין אור, והלחץ הקיצוני עלול לרסק בני אדם. בעלי החיים החיים במעמקים אלה פיתחו התאמות ביו-פיזיקליות מיוחדות כדי לשרוד את התנאים הקשים הללו.

כדי לחקור את ההתאמות הללו וכיצד הן התפתחו, צוות חוקרים בראשות אוניברסיטת קליפורניה סן דייגו עוזר פרופסור לכימיה וביוכימיה, איתי בודין, חקר את קרומי התא של קטנופורים, הידועים גם כג'לי מסרק. במחקר שלהם, שפורסם לאחרונה ב מַדָעהם גילו שלקטנופורים יש מבנים שומנים ייחודיים המאפשרים להם לחיות בלחץ עז.

חושפת את המסתורין של הסתגלות ליפידים

למרות שג'ילי מסרק דומים למדוזות, אין ביניהם קשר הדוק. טורפים אלה, המרכיבים את הפילום Ctenophora, יכולים לגדול כמו כדורעף ולחיות באוקיינוסים ברחבי העולם בעומקים שונים, מהשטח ועד לים העמוק.

לממברנות התא יש יריעות דקות של שומנים וחלבונים שצריכים לשמור על תכונות מסוימות כדי שהתאים יפעלו כראוי. אמנם ידוע כבר עשרות שנים שחלק מהאורגניזמים התאימו את השומנים שלהם כדי לשמור על נזילות בקור קיצוני – הנקרא הסתגלות הומיאוביסקוס – אך לא היה ברור כיצד אורגניזמים החיים בים העמוק הסתגלו ללחץ קיצוני והאם ההסתגלות ללחץ הייתה זהה ל ההסתגלות לקור.

Budin חקר הסתגלות הומיאוביסקוס בחיידקי E. coli, אך כאשר סטיבן האדוק, מדען בכיר במכון המחקר של מונטריי ביי אקווריום (MBARI), שאל האם לקטנופורים יש אותה הסתגלות הומאווויסקוסית כדי לפצות על לחץ קיצוני, בודין הסתקרן.

לאורגניזמים מורכבים יש סוגים שונים של שומנים. לבני אדם יש אלפים כאלה: ללב יש כאלה שונים מאשר לריאות, השונות מאלה שבעור וכו'. יש להם גם צורות שונות: חלקם גליליים וחלקם בצורת קונוסים.

גילוי של הומיאו-עקמומיות בקטנופורס

כדי לענות על האם הקטנופורים הסתגלו לקור וללחץ באמצעות אותו מנגנון, הצוות היה צריך לשלוט במשתנה הטמפרטורה. ג'ייקוב וויניקוף, המחבר הראשי של המחקר שעבד הן ב-MBARI והן באוניברסיטת סן דייגו, ניתח קטנופורים שנאספו מרחבי חצי הכדור הצפוני, כולל אלה שחיו בקרקעית האוקיינוס ​​בקליפורניה (קור, לחץ גבוה) ואלה מפני השטח של האוקיינוס ​​הארקטי (קר, לחץ נמוך יותר).

"מסתבר שהקטנופורים פיתחו מבני שומנים ייחודיים כדי לפצות על הלחץ האינטנסיבי הנפרד מאלה שמפצים על קור עז", קבע בודין. "עד כדי כך שהלחץ הוא למעשה מה שמחזיק את קרומי התא שלהם יחד."

החוקרים מכנים את ההסתגלות הזו "הומיאו-עקמומיות" מכיוון שהצורה יוצרות העקומה של השומנים הסתגלה לבית הגידול הייחודי של הקטנופורים. בים העמוק, הליפידים בצורת חרוט התפתחו לצורות חרוט מוגזמות. הלחץ של האוקיינוס ​​נוגד את ההגזמה ולכן צורת השומנים תקינה, אבל רק בלחצים קיצוניים אלו. כאשר קטנופורים בים עמוקים מועלים אל פני השטח, צורת החרוט המוגזמת חוזרת, הקרומים מתפצלים, ובעלי החיים מתפוררים.

השלכות רפואיות פוטנציאליות של מחקר בים עמוק

המולקולות בעלות צורת חרוט מוגזמת הן סוג של פוספוליפיד הנקרא פלסמולוגים. פלסמולוגים מצויים בשפע במוחות אנושיים, והשפעתם הפוחתת מלווה לעיתים קרובות בירידה בתפקוד המוח ואפילו במחלות ניווניות עצביות כמו אלצהיימר. זה הופך אותם למעניינים מאוד עבור מדענים וחוקרים רפואיים.

"אחת הסיבות שבחרנו לחקור קטנופורים היא כי חילוף החומרים השומנים שלהם דומה לבני אדם", אמר בודין. "ולמרות שלא הופתעתי למצוא פלזמולוגנים, הייתי בהלם לראות שהם מהווים עד שלושה רבעים מספירת השומנים של קטנופור בים עמוק."

כדי להמשיך ולבחון את התגלית הזו, הצוות חזר ל-E. coli, ערך שני ניסויים בתאים בלחץ גבוה: האחד עם חיידקים ללא שינוי והשני עם חיידקים שעברו הנדסה ביולוגית לסנתז פלסמולוגים. בעוד שה-E. coli ללא שינוי מת, זן ה-E. coli המכיל פלזמלוגנים שגשג.

מאמצים משותפים וכיוונים עתידיים

ניסויים אלו נערכו במשך מספר שנים ועם משתפי פעולה על פני מספר רב של מוסדות ודיסציפלינות. באוניברסיטת סן דייגו, בנוסף לבודין, שקבוצתו ערכה את הניסויים בביופיזיקה ובמיקרוביולוגיה, המעבדה של אדוארד דניס ערכה פרופסור נכבד לכימיה וביוכימיה ניתוח שומנים באמצעות ספקטרומטריית מסה. ביולוגים ימיים ב-MBARI אספו ctenophores כדי ללמוד, בעוד פיזיקאים מאוניברסיטת דלאוור הפעילו הדמיות ממוחשבות כדי לאמת התנהגויות ממברנות בלחצים שונים.

Budin, אשר מעוניין לחקור כיצד תאים מווסתים את ייצור השומנים, מקווה שתגלית זו תוביל לחקירות נוספות על התפקיד של פלזמלוגנים בבריאות המוח ובמחלות.

"אני חושב שהמחקר מראה שלפלזמלוגנים יש תכונות ביופיזיות ייחודיות באמת", אמר. "אז עכשיו השאלה היא, כיצד התכונות הללו חשובות לתפקוד התאים שלנו? אני חושב שזו הודעת טייק אווי אחת".

מימון: מחקר זה נתמך באמצעות מענקים על ידי הקרן הלאומית למדע, מינהל האווירונאוטיקה והחלל הלאומי, המכונים הלאומיים לבריאותהמשרד לחקר חיל הים וקרן דייוויד ולוסייל פקארד.