תרופה לקור רגיל

מאת טום מקיגן

כאשר ארתור דה-וייס הגיע לתחנת מק'מרדו בשנת 1961, הוא היה טרי מאוניברסיטת סטנפורד, שם נרשם לסטון של 13 חודשים כדי לחקור את חילוף החומרים הנשימתי של דגי הנוטונידיאידים האנדמיים שנמצאו במק'מקורדו סאונד, אנטארקטיקה. נוטות-נואידים הם קרח אנטארקטי, תת-סדר בסדר גודל של פרסיפורסים. סדר זה הוא המסדר הרחב ביותר של חוליות החוליות בעולם וכולל מוטות, ציקלידים ובס ים. חמש משפחות של דגים נוטותניאידים חולשים על האוקיאנוס הדרומי, המהווים למעלה מ- 90 אחוז מהביומסה הדגית של האזור. הם חלק מרכזי במערכת אקולוגית שלמה, אך מערכת אקולוגית זו לא הייתה קיימת בצורתה החזקה אלמלא היו מפתחים דרך לנצח את הקור הקיצוני של המים הקוטביים הללו. DeVries יגלה בסופו של דבר איך.

תחנת מקמרדו נמצאת בקצה הדרומי של אי רוס, הגדול מבין שלושת מתקני המדע האמריקניים באנטארקטיקה. למקורמדו, שהוקם בשנת 1958, היו כל התכונות של כל מחנה עבודה על שפת הטבע הגולמי, עם מעט קישוטים מעבר לגנרטורים, משטחי אספקה ​​ובקתות קווונט. קהילת המחקר שם התקיימה בהתרסה מפני האקלים, ולא בגלל זה: קיצוני הטמפרטורה המוקלטים נמוכים כמו מינוס 50 מעלות צלזיוס והטמפרטורות השנתיות הממוצעות שוכנות במינוס 18 מעלות צלזיוס.

קרחונים מול חופי אנטארקטיקה, מאת ויקימדיה

למרות התנאים, דה פריס שגשג באווירה האקדמית הסגורה ובעבודת השדה המחוספסת של לתפוס, להצטייד ולנתח דגים. עם זאת, אתגרי עבודתו הזמנית במקום יובילו אותו במפתיע לגילוי פורץ דרך ולחיים שלמים של מדע הקוטב. חלק מהדגים שהוא תפס ומחזיק במכלים גוועו ואילו אחרים לא. הלהט שלו לפתור את בעייתו וסקרנותו למצוא את הגורמים לו יובילו לענף שלם של מחקר. כפי שהוא אמר לפרסומי סיינטיה,

"במהלך הניסויים האלה שמתי לב שדג עמוק במים עמוקים של נותותניאידים יקפא למוות אם היה קרח כלשהו במלח המלח בקירור שלנו, בעוד אלה שנלכדו במים הרדודים שרדו בנוכחות קרח. החלטתי לחקור מדוע יש הבדל במינים אלה החיים במים באותה טמפרטורה (-1.9 מעלות צלזיוס) במחקר עבודת הדוקטורט שלי בסטנפורד. חקרתי אילו תרכובות אחראיות ליכולתן להימנע מקפיא בסביבה זו בעוד דגים במים ממוזגים יקפאו למוות ב -0.8 מעלות צלזיוס. המחקר שלי הגיע לשיאו בגילוי הגליקופרוטאינים נגד נוזלים לרדיאטור, התרכובות האחראיות להימנעות הקפאתם הקיצונית. "

DeVries, הקרח של אנטי-קרפיקה, למד במועדון אורגניזמים מיוחד עם יכולת לחיות בקצוות בטמפרטורה נמוכה. חלק מהאורגניזמים הללו, כמו צפרדע העץ הצפון אמריקאית, מסוגלים להתאושש מהקפאה, וחלקם, כמו הקפיש, שורדים על ידי הימנעות מהקפאה. מגוון גדול של יצורים, מחרקים ועד פטריות ועד פטריות וחיידקים, נמצא גם בקבוצה זו שמשתמשת במה שמכונה חלבונים המחייבים קרח (IBP) כדי לשרוד. הם משתמשים באחד מחמישה מנגנונים כלליים לכך: ייצור נוזל לרדיאטור; מבנה קרח שבו, למשל, אצה תיצור כיס נוזלי מתון יותר בתוך הקרח; הדבקות בקרח, כמו שחיידקים מסוימים עושים; גרעין קרח; ומעכב את התגבשות הקרח מחדש. התגבשות מחדש היא התגבשות של גבישי קרח קטנים לגדולים יותר, מכיוון שהם נמשכים על ידי קשירת מימן באפקט מפל.

מקמרדו סאונד קרח ים מאת ברוס מקינלי, פליקר סמ

הקפית פיתחה את האסטרטגיה הראשונה של יצירת נוזל לרדיאטור משלהם. ניתן להגדיר חלבונים נגד הקפאה (AFP) כחלבונים שקשורים בקרח המדכאים את נקודת ההקפאה ההיסטרית מתחת לנקודת ההיתוך של ההיסטריה, ובכך ליצור "פער היסטריזה תרמי". הם בדרך כלל גליקופרוטאינים מסוג אלפא-סליל, הידועים גם כ- glycoproteins נגד נוזלים לרדיאטור (AFGP) או חלבוני היסטריה תרמית (THP). היסטריה תרמית היא הפרדת טמפרטורות הקפאה והתכה. הדגים מסוגלים להוריד את הנקודה בה קופאים המים בתוכם, ואילו הנקודה בה הם נמסים נותרה זהה (עוד על ההתפתחויות המפתיעות על כך בהמשך). כדי להבין כיצד זה עובד דורש דיון קצר במים עצמם.

מים הם המדיום האוניברסלי על פני האדמה, עם תכונות ייחודיות החיוניות למגוון רחב של תנאים ראויים לחיות, והם חלק קריטי מדברים חיים עצמם. שום חומר נפוץ אחר לא קיים באופן טבעי בכוכב הלכת שלנו בכל שלושת השלבים, נוזל, מוצק וגז. קשרים קוולנטים חזקים מחזיקים אטומי חמצן ומימן יחד במולקולה יחידה, אך קשרי מימן חלשים יותר מחברים מולקולות מים אחת לשנייה. אופי הקוטב של המולקולה, עם חמצן שלילי וחיובי מימן, מאפשר לה להיקשר בקלות למולקולות אחרות, מה שמייצר ממס מצוין ואוניברסאלי. למים יש יכולת תרמית גבוהה, שאפשר לתאר אותה ככישוף לשנות טמפרטורות למרות סביבתן. זה יוצר השפעה ממתנת חשובה על האקלים בסקאלות רבות. ההערכה היא כי האוקיינוסים שלנו יכולים לספוג פי אלף מהחום כאטמוספירה שלנו מבלי לשנות משמעותית את הטמפרטורה. מרבית החום המוגבר של שינויי אקלים עולמיים, למשל, נקלט באוקיינוסים של כדור הארץ.

כאשר מים נעשים קרים יותר, צפיפותם הולכת אחר מגמה חומרית צפויה, הולכת וגוברת בצפיפות עם כל ירידה בטמפרטורה, עד 4 מעלות C. כאשר מים פונים לקרח הם הופכים קלים יותר, פחות צפופים (כ- 9%) ככל שאטומי המימן מקשרים ליצירת מבנה סריג גביש. מאפיין זה מאפשר לקרח לצוף על גבי שלב הנוזל הצפוף שלו, מה שמאפשר חיים ימיים חורפים מדי ברחבי העולם, כולל באוקיאנוס האנטארקטי. התפשטות המים בשינוי מנוזל לשלב המוצק יכולה להיות גם כוח משבש חזק; מסוגל לפצל גרניט.

כוח זה יכול להתאמץ באותה מידה ברמה התאית והתאית. התרחבות של מים מוצקים בתוך התאים עלולה לגרום להם להתפרץ, והקפאת החללים הבין-תאיים גורמת לאובדן מים ולהצטברות יונים ומטבוליטים עם התהוות קרח. חוסר איזון במים זה מבקש זרימת נוזלים מהתאים ולחללים שביניהם. זה יכול להוביל לריכוז רעיל של יונים בתא או לאובדן משמעותי של עמידות בלחץ וקריסת תאים.

מגוון של אורגניזמים ברחבי ממלכות הסתגל לטמפרטורות המקפיאות מים: צמחים, שמרים, חיידקים ובעלי חיים כמו דגים וחרקים. הם מעסיקים שכבות שונות, אך כולם חייבים לחיות על פי הכללים הפיזיים של הסביבה שלהם, במיוחד המאפיינים של מים.

כאשר מומסים מלח במים הוא מוריד את נקודת ההקפאה שלו. מי ים, אפוא, בעלי תכונות שונות במקצת מאשר טריים שכן המלחים המומסים (3.5% עבור מי ים טיפוסיים) מורידים את נקודת הקפאה למינוס 1.9 מעלות צלזיוס. זה נקרא דיכאון נקודת הקפאה והוא שכבה שהתפתחה נפוצה עבור רבים מתושבי האקלים הקר או הפסיכופילים. . דה פריס הבין כי לא ניתן להסביר את הדיכאון בנקודת הקפיאה שהוצג בדגי המים הרדודים ששרד, אך ורק על ידי מלחי גוף נפוצים בסרום הדג. הוא תכנן סדרת ניסויים כדי להבדיל את האיפור הכימי של שני סוגי הדגים שלו ובודד את הגליקופרוטאינים שהיו המפתח לגילויו. החלבונים נקשרו לגבישי קרח בדם הדג ומנעו את צמיחתם. זה, בשילוב עם מלחי גוף, אפשרו לדג לשמור על דם נוזלי במינוס 2.5 מעלות צלזיוס.

תחנת מקמרדו מאת ברוס מקינלי, פליקר סמ

מה שהוא ועמיתיו גילו בסופו של דבר הוא שהגליקופרוטאינים הללו נקשרים לגבישים קרח בצורה בלתי הפיכה בתהליך שכינו את עיכובם של ספיחה (DeVries ו- Raymond, 1977). זהו תהליך שנקרא "הצמדת שלבים", בו מופסקים או נצרכים רצפים גופניים מכריעים הנחוצים להקפאה. במקרה זה, אנשי ה- AFP נקשרו לגבישי קרח קטנים המתהווים ואילצו את היווצרות הקרח לחללים קטנים יותר בין אתרי ספיחה ובכך כופפו את חזית הגידול של סריג הקרח לעיקול. זה יצר אנרגיה חופשית מעל פני השטח והוריד ביעילות את נקודת ההקפאה בתופעה הנקראת אפקט גיבס-תומסון.

AFP הם בדרך כלל חלבונים מורכבים קטנים בעלי עומס אקסצנטרי של חומצת האמינו תראונין. לתראונין יש משטח הידרופילי שמולקולות מים מחברות אליו בצורה חלשה. ספיחה זו מעכבת את הקריסטלים המיקרולוגיים להתגבש לגבישים גדולים יותר ושומרת על מים במצב נוזלי.

נראה כי גבישי הקרח הקטנים הללו נשארים בדגים במשך חייהם, אך זה עדיין נחקר. אמנם אין שום עדות לכך שהדגים מושפעים לרעה מהנוכחות של הגבישים לאורך כל השנה, אך דה-ווריס מאמין שהם חייבים להיות בעלי מנגנון לביטולם. תגלית מפתיעה אחת אחרונה הייתה כי נוכחותם של אנשי ה- AFP גורמת לגבישים להתנגד להמסה; יש צורך בטמפרטורות גבוהות יותר כדי להמיס אותן, כמו גם טמפרטורות נמוכות יותר הדרושות ליצירתם.

מה שלא ידוע, על פי DeVries, הוא בדיוק כיצד חלבונים אלה מסוגלים לזהות מולקולות מים של פאזה מוצקה בסביבה נוזלית זו, וכדאי להיקשר אליהן. כיצד עדיין הם נחקרים כיצד מונעים צמיחה, כאשר מודל עיכוב הספיחה עדיין פתוח לדיון ועידון. עם זאת, אין הפרכה זו כאסטרטגיית הישרדות מוצלחת. אכן זוהי דוגמה להתכנסות, לעיתים קרובות אינדיקטור, אם לא ערובה, לפתרונות יעילים ועמידים בטבע. שתי אוכלוסיות מובחנות מבחינה גנטית, אחת באזור הארקטי (בקלה הארקטי) ואחת באנטארקטיקה (Notothenioids), פיתחו טכניקות אלה.

יתכן שגילוי חלבונים אלה נגד הקפאה נגע בתעשיית מחקר שלמה ביכולותיהם, אך האם הם מבצעים ביצועים טובים כמו גם שמם המסחרי? נראה כי הם עושים זאת, למען האמת, בצורה טובה בהרבה בסדר גודל. הסיבה היא הסלקטיביות שהם מפגינים בחיבור לגבישים הקרח הקטנים. אתילן גליקול, הנוזל הירוק המשמש בדרך כלל ברדיאטורים לרכב, פועל על ידי אפקט פעולה המונית, ומשבש את קשירת המימן על ידי המקבילה הכימית להפצצת שטיחים. למרות שהוא אינו מתמשך, הכימיקל הוא רעל רעיל בינוני. כאשר הוא נבלע הוא מומר לחומצה אוקסלית על ידי אתנול הידרוגנאז. חומצה אוקסלית היא רעילה ביותר, ומשפיעה על מערכת העצבים המרכזית, הלב, הריאות והכליות. הוא אחראי לעשרות אלפי הרעלות מהחי ואלפי הרעלות אנושיות בכל שנה. הוכח כי אתילן גליקול הוא חומר רעיל התפתחותי במינונים גבוהים יותר אצל חולדות.

החזזית, Xanthoria elegans יכולים להמשיך לצלם פוטוסינתזה בגודל של -24 מעלות צלזיוס. צילום: ג'ייסון הולינגר

פרופילן גליקול עם חלקיקים ממתכת פותח כחלופה בטוחה יותר לאתילן גליקול, אך חסר היעילות של ה- AFP. עם זאת, זול יותר זמין ומשתמש בחומר שכבר הועסק בתעשיית המזון ואושר על ידי ה- FDA.

למרות עשרות שנים של מחקר על מנגנון חלבונים אלה, יישומי התעשייה נותרו מעטים, כאשר חלבונים מדגי החצב הארקטי משמשים בגלידה למניעת התגבשות מחודשת, וה- AFP והורמוני גדילה הציגו סלמון חקלאי טרנסגני לקשיחות במזג אוויר קר וגדילה. עם זאת, בתחום הביו-רפואי, השימוש בחלבונים האלה מבטיח את הפירות ואתגרים רבים ביותר.

הובלה והשתלת איברים, שימור גופות אנושיות לנסי העתיד של הרפואה (קריוניקה) וביצוע ניתוחים הם כל המאמצים שבהם AFP יכול למלא תפקיד מהפכני. תאים בודדים, כמו זרע וביצים, קפואים ואוחסנים באופן שגרתי, אך רקמה גדולה יותר קשה לשמר. אנשי AFP הועסקו בהצלחה כדי לשמר לבבות חולדה וחזירים בטמפרטורות מתחת לקפוא. באחד הניסויים, החוקרים הסירו לב חולדה, שמרו אותו במים סטריליים ו- AFP במינוס 1.3 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות, ואז השתילו את הלב המחומם (שאינו שואב) לעכברוש חדש.

על אף ההצלחות המוקדמות הללו וההבטחה הגדולה של AFP, הטכנולוגיה של שימור איברים אנושיים עדיין מפגרת אחרי הביקוש הרפואי. משרד הבריאות והשירותים האנושיים מעריך כי כ- 21 חולים ביום מתים ומחכים לאיבר שאינו זמין. הריאות נשארות שמישות במשך שתים עשרה שעות בלבד ולבבות רק ארבע או חמש, בטכניקות הנוכחיות. רעילותם של חומרי הגנה מפני קריאה וההשפעות המפריעות להפשרה הן שתיים מהבעיות המאתגרות ביותר. בעוד שזכוכית היא טכניקה יעילה של הקפאה מהירה של איברים למצב זכוכית, רוב הטכניקות מסתמכות על שאיבת התאים מלאים בכימיקלים רעילים, והיא נמצאת בהפשרה בה הנזק החמור ביותר. התחממות דיפרנציאלית גורמת לפיצול ושבר של חומר הנתון לכוחות מנוגדים. עם זאת, צוות אחד מאוניברסיטת מינסוטה עובד על שיטה של ​​שימוש בחלקיקים ננויים לחימום עדין ואחיד של האיברים בחזרה לטמפרטורות החיים. החלקיקים המגנטיים נרגשים לפעילות (וחום) על ידי גלי רדיו בתהליך שהצוות מכנה "חימום ננו", והטכניקה שימשה בהצלחה על אשכולות של תאים.

צוותי מחקר אחרים מחפשים במקומות אחרים בטבע תרכובות נגד הקפאה יעילות עוד יותר. האחת היא גליקוליפיד שנמצא בחיפושית אלסקה הקפואה, Upis ceramboides המאפשר לחרק לסבול טמפרטורות של מינוס 60 מעלות צלזיוס ועדיין להתאושש. חברת Cell and Tissue Systems מדרום קרוליינה מעסיקה אותה בהצלחה בשימור הרקמות במשך ימים בטמפרטורות נמוכות מאפס ללא הידרדרות, על פי החברה. נראה כי הגליקוליפיד מצפה את קרום התא, משיר אותו כנגד קרח חיצוני ואוטם אותו כנגד נמשכת הנוזל האוסמוטי מהתא.

בין אם משתמשים בחלבון או בגליקוליפיד, בהורדת טמפרטורות ההקפאה ובין אם הוא סובל מהקפאה, לשאוב את עצמם מלאים בקריו-מגן, לאטום את עצמם או להתייבש, האורגניזמים של הטבע מכל התחומים הגיעו לחיות עם הקור הבלתי שכיח. על החוקרים האנושיים עדיין לפתוח את הסודות הללו במלואם ולהשתמש בהם לשימור טוב יותר של החיים.

פורסם במקור ב- Zygote Quarterly.