Ученые выяснили, как сибирский углозуб противостоит замораживанию, гипоксии и свободным радикалам
Российские ученые исследовали, как меняется метаболизм сибирского углозуба в ответ на замораживание. В отличие от других земноводных, он использует в качестве «антифриза» глицерин, а не глюкозу, добывает энергию в ходе метаболических процессов, не требующих кислорода, а также не накапливает вещество, способное привести к появлению свободных радикалов при выходе из гипоксии. Результаты проекта могут подтолкнуть ученых к созданию новых методов криоконсервации органов.
Холодные зимы — суровое испытание для животных. Замерзание воды в клетках чревато образованием кристалликов льда, способных разорвать мембраны. Кроме того, заморозка тканей ведет к остановке кровотока и кислородному голоданию — гипоксии. Большинство животных не могут перенести такие состояния и выбирают другие стратегии выживания при отрицательных температурах: отращивают мех или мощный жировой слой, меняют размер частей тела, впадают в спячку. Однако некоторые организмы смогли адаптироваться и к заморозке. Среди них— сибирский углозуб Salamandrella keyserlingii.
«Это уникальная амфибия, способная выдерживать длительное замораживание при температурах до –55°C и оставаться жизнеспособной. Мы проанализировали изменения метаболизма, происходящие при этом в тканях сибирского углозуба», — рассказал руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» Сергей Шеховцов.
С 80-х годов прошлого века известно, что защитой от полного замораживания углозуба служит глицерин. Он синтезируется из запасаемого на зиму в печени и мышцах вещества — гликогена — и разносится током крови по всему организму. Глицерин вытесняет из клеток воду, которая кристаллизуется в межклеточном пространстве без ущерба для животного. Сами же клетки не замерзают, что и спасает жизнь всему организму.
Коллектив авторов, в который вошли ученые из ФИЦ ИЦиГ СО РАН, Института биологических проблем Севера ДВО РАН и Института «Международный томографический центр» СО РАН, сравнил метаболомы — наборы малых молекул — углозубов при положительных температурах (3–4 °C) и после продолжительного замораживания (до –8 °C).
Анализ показал, что глицерин — единственный криопротектор среди низкомолекулярных соединений у этого вида. Этим сибирский углозуб отличается от других амфибий, у которых в качестве «антифриза» используется глюкоза.
Также исследователи выявили при замораживании усиление гликолиза — процесса окисления веществ для получения энергии без кислорода. Это, очевидно, было следствием гипоксии, возникающей при замораживании. Еще одной уникальной чертой сибирского углозуба оказалось то, что его организм не накапливает сукцинат. Концентрация этого вещества всегда растет при гипоксии у всех изученных на данный момент позвоночных. Сукцинат, в свою очередь, служит причиной синтеза свободных радикалов при возобновлении поступления кислорода, что вызывает различные патологические состояния.
«Все это говорит о том, что метаболизм сибирского углозуба имеет много отличий от метаболизма других животных, что и обеспечивает его выдающуюся устойчивость к замораживанию. В перспективе результаты подобных исследований помогут понять механизмы этой устойчивости и, возможно, дадут ключ к созданию новых способов замораживания органов и тканей», — отметил Сергей Шеховцов.
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ) и опубликовано в журнале Biology.