Учёные выяснили, как личинки африканских комаров выживают без воды

Ученые исследовали способности личинок африканских комаров Polypedilum vanderplanki к выживанию в условиях крайнего дефицита воды. Их спасает состояние, которое называется ангидробиоз. При нем большая часть жизненных процессов ослабевает или прекращается, и существо пребывает в своеобразной спячке. Исследователи изучили биохимические реакции, которые сопровождают это состояние организма. Выяснилось, что ключевую роль играет органическое соединение трегалоза, которое, помимо своей непосредственной защитной функции при высыхании, также переносит энергию. В перспективе знания о ангидробиозе возможно применять для хранения биоматериалов. Работа опубликована в журнале PNAS. Исследование поддержано Российским научным фондом.

В ходе эволюции некоторые живые организмы выработали в себе способность впадать в состояние, которое называется ангидробиоз. С его помощью они могут длительное время выживать в условиях крайнего дефицита воды и полностью восстанавливать свои жизненные функции, когда окружающая среда станет более благоприятной. Практически все организмы-ангидробионты обладают микроскопическими размерами. Одно из немногих исключений — личинки африканских комаров Polypedilum vanderplanki. Это единственное насекомое, способное к ангидробиозу. Они обитают в Нигерии и Уганде. Благодаря ангидробиозу эти личинки приобретают высокую устойчивость к самым разным вредным воздействиям, среди которых почти полное обезвоживание, высокая радиация, вакуум, некоторые химикаты и экстремальные температуры. Переход в такое состояние у личинок занимает около 48 часов. В это время они теряют 97% всей воды в организме, а обмен веществ практически прекращается. Выход из состояния ангидробиоза, который называется регидратацией, начинается с появления в окружающей среде воды. Личинки начинают двигаться уже через 40 минут после начала процесса, и полностью восстанавливаются через три часа.

Ученые из Казанского федерального университета совместно с зарубежными коллегами исследовали биохимические реакции, сопровождающие впадение личинок P. vanderplanki в ангидробиоз. Для этого они провели комбинированный метаболомно-транскриптомный анализ. Использовались две группы выращенных в лаборатории личинок: в состоянии ангидробиоза и спустя три часа после начала процесса восстановления. У каждой из групп ученые анализировали продукты, получающиеся в ходе обмена веществ. Для сравнения авторы работы использовали личинок близкородственного вида P. nubifer, не способного к ангидробиозу.

Исследователи выяснили, что одним из ключевых факторов метаболизма, который позволяет личинкам P. vanderplanki выживать, является органическое соединение трегалоза. Оно давно известно как вещество с защитными и стабилизирующими в условиях дефицита воды свойствами. Но авторы обнаружили, что трегалоза также выступает в качестве молекулы-носителя энергетических запасов организма, которые организм может использовать с первых моментов восстановления. Личинки начинают накапливать ее еще на ранних стадиях высушивания. Вместе с ней запасается и фермент трегалаза, который ее расщепляет. Он также хранится в организме до начала регидратации. Количество этих веществ напрямую определяет шансы личинок на выживание. Ученые выяснили это с помощью повторения на них процесса высушивание-восстановление. Для перезапуска работы митохондрий, которые играют роль энергетических станций клеток, личинки используют лимонную кислоту и аденозин монофосфат, играющие важную роль в выработке энергии. Также организм личинок старается минимизировать присутствие токсичных соединений, поэтому продукты обмена питательных веществ хранятся в виде стабильных и нетоксичных соединений, таких как аллантоин, офтальмовая кислота или ксантуреновая кислота. При этом они также могут действовать как антиоксиданты. Синтез ксантуреновой кислоты имеет особое значение для выживания личинок, о чем говорит обнаруженное учеными удвоение гена, который вырабатывает фермент-катализатор этой реакции.

«Мы не обнаружили никаких аналогичных процессов у близкородственного вида P. nubifer. Поэтому можно утверждать, что наблюдаемые особенности метаболизма P. vanderplanki напрямую связаны с адаптацией к обитанию в условиях периодических засух и способностью личинок впадать в состояние ангидробиоза. Изучение этого явления значимо по двум причинам. Во-первых, это расширение фундаментальных знаний о защитных системах живых организмов. Во-вторых, его можно применять в биотехнологических разработках, например для хранения биоматериалов», — прокомментировал Олег Гусев, ведущий научный сотрудник, заведующий кафедрой экстремальной биологии Казанского федерального университета.