Auf dem Foto: Dissostichus mawsoni - einer der größten Vertreter der Nototheniaceae - kann bis zu 90 Kilogramm wiegen (Foto von Chris Cheng und Paul Cziko).
Wie schaffen es antarktische Fische, nicht nur zu existieren, sondern auch friedlich bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt des Wassers zu leben? Neugierige Wissenschaftler haben seit vielen Jahren nach der Antwort auf diese knifflige Frage gesucht - ein solches "Nicht-Einfrieren" wäre für die Menschheit nützlich. Jetzt beschlossen amerikanische Forscher, die Wurzel zu untersuchen, nämlich die Funktionen und Gene des biologischen Frostschutzmittels zu untersuchen. Und die neue Arbeit führte zu einer wertvollen Entdeckung
Wissenschaftler der University of Illinois haben sich vorgenommen, das Genom des antarktischen Zahnfisches (Dissostichus mawsoni) zu untersuchen, um herauszufinden, was seine fantastische Ausdauer bestimmt.
Fische der Unterordnung Notothenioidei leben im eisigen Wasser des Südlichen Ozeans und machen fast 90% der Fischbiomasse dieser Region aus. Aus diesem Grund haben Genetiker sie als Testpersonen ausgewählt. Die Temperatur der lokalen Gewässer ist so, dass der gesamte Körper der Unterwasserbewohner in Eis hätte verwandeln sollen. Dies ist jedoch nicht der Fall. Warum?
Eine sorgfältige Untersuchung der ungewöhnlichen Fähigkeiten der Nototen begann im Wesentlichen in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts. In den 1960er Jahren isolierte und beschrieb Professor Arthur DeVries von der University of Illinois erstmals "Frostschutzproteine", die Eiskristalle in Fischblut binden und das Einfrieren verhindern. Der Organismus der Bewohner der Tiefsee produziert sie selbst.
Es gibt acht Familien in der Unterordnung Notothenioidei, fünf von ihnen leben in der Antarktis, leben ruhig bei niedrigen Temperaturen (-2–4 ° C) und hohem Sauerstoffgehalt (der sich in kaltem Wasser besser auflöst und sich in hochreaktive Formen umwandelt, die für das Körpergewebe schädlich sind).
Eine Gruppe von Genetikern unter der Leitung von Devris 'Frau Chi-Hing "Christina" Cheng machte sich daran, die genetischen Grundlagen für extreme Ausdauer herauszufinden.
„Diese Arbeit war die erste umfassende Studie über alle biologischen Funktionen von Fischen, die von der Geburt bis zum Tod in unglaublich kaltem Wasser leben“, sagt Cheng.
Zunächst übernahmen die Wissenschaftler eine genaue Kontrolle über einen charakteristischen Vertreter des Nicht-Toteniums - Dissostichus mawsoni. Christina und ihre Kollegen wollten herausfinden, welche Gene im arktischen Zahnfisch am häufigsten exprimiert werden. Dazu nahmen sie vier Gewebeproben: aus dem Gehirn, den Eierstöcken, der Leber und der Niere (dem wichtigsten hämatopoetischen Organ der Fische).
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Vor zwei Jahren stellten Wissenschaftler fest, dass die Leber fast nicht die für die Anpassung erforderlichen Proteine produziert. Der Magen und die exokrine Bauchspeicheldrüse wirken viel mehr zum Wohl der Fische.
Zuerst entschieden Genetiker, dass antarktische Fische eine hocheffiziente Expression aller Gene aufweisen, die es ihnen ermöglichen, bei niedrigen Temperaturen und hohem Sauerstoffgehalt zu überleben. Obwohl die Option auch in Betracht gezogen wurde, wenn bestimmte Gewebe große Mengen bestimmter Proteine produzieren.
"Wir haben festgestellt, dass in den allermeisten Fällen eine bestimmte Gruppe von Genen am Werk ist", sagt Cheng. "Jedes Gewebe exprimiert alle möglichen Gene, aber diese sehr kleine Gruppe von zytoprotektiven Genen wird in allen Geweben in großer Anzahl exprimiert."
Als nächstes verglichen die Wissenschaftler die Expression von Genen von D. mawsoni und damit nicht verwandten Fischen, die in den wärmeren Gewässern des Weltozeans leben, und stellten fest, dass sich die meisten Gene, die von antarktischen Fischen benötigt werden, fast nicht in anderen Arten manifestieren.
Unter den Sequenzen, die für die Produktion bestimmter Proteine in großer Anzahl verantwortlich sind (hochregulierte Gene), wurden viele Gene gefunden, die Proteine codieren, die für die Reaktion des Körpers auf negative Umwelteinflüsse verantwortlich sind. Wissenschaftler haben bis zu 177 Familien gezählt.
Insbesondere wurde eine Vielzahl von Chaperonen (Proteine, deren Hauptfunktion darin besteht, die korrekte Tertiärstruktur beschädigter Proteine wiederherzustellen) gefunden, insbesondere "Hitzeschockproteine", die Zellen vor extremen Temperaturen schützen. Ebenfalls vorhanden waren Ubiquitine, Proteine, die die Zellgesundheit unterstützen und andere Proteine vor dem Abbau markieren.
Darüber hinaus kommen diese Proteine im Genom des antarktischen Zahnfisches drei- bis 300-mal häufiger vor als in seinen Warmwasser- "Gegenstücken", was auch die Resistenz des Fischorganismus gegen extreme Bedingungen erhöht.
Derzeit untersuchen Wissenschaftler die Auswirkungen des Klimawandels (steigende Wassertemperatur) auf antarktische Fischarten. Sie müssen herausfinden, ob sich D. mawsoni an neue Bedingungen anpassen kann. Wenn antarktische Zahnfische aussterben, leiden schließlich alle Nahrungsketten des Südlichen Ozeans.
Lesen Sie mehr über die Studie in der Pressemitteilung der Universität in dem Artikel der Autoren der Entdeckung, der in PNAS veröffentlicht wurde. Die University of Illinois hat diese Diashow ebenfalls zu Informationszwecken vorbereitet.
Es ist natürlich zu früh, um über die praktische Anwendung der gewonnenen Daten zum Wohle des Menschen zu sprechen. Diese Forschung ist grundlegender als angewendet. Ob Wissenschaftler nach Jahren mit Hilfe neuer Entdeckungen in der Lage sein werden, ein spezielles Frostschutzmittel für Mechanismen und Produkte zu entwickeln oder (wenn Sie wirklich davon träumen) die Fähigkeit zu verbessern, bei niedrigen Temperaturen eines Menschen selbst zu überleben - niemand weiß es.
