Ein Heilmittel gegen die ungewöhnliche Erkältung

Von Tom McKeag

Als Arthur DeVries 1961 an der McMurdo Station ankam, war er frisch von der Stanford University, wo er sich für einen 13-monatigen Aufenthalt angemeldet hatte, um den Atemstoffwechsel der endemischen Notothenioid-Fische im McMurdo Sound in der Antarktis zu untersuchen. Notothenioide sind antarktische Eisfische, eine Unterordnung der Ordnung der Perciformes. Diese Ordnung ist die zahlreichste Ordnung von Wirbeltieren in der Welt und umfasst Barsch, Buntbarsche und Wolfsbarsch. Fünf Familien von Notothenioid-Fischen dominieren den Südpolarmeer und machen über 90 Prozent der Fischbiomasse der Region aus. Sie sind ein Schlüsselelement eines gesamten Ökosystems, aber dieses Ökosystem würde nicht in seiner robusten Form existieren, wenn sie nicht einen Weg gefunden hätten, die extreme Kälte dieser polaren Gewässer zu überwinden. DeVries würde schließlich herausfinden, wie.

Die McMurdo-Station befindet sich an der Südspitze von Ross Island, der größten von drei US-amerikanischen Wissenschaftsanlagen in der Antarktis. McMurdo wurde 1958 gegründet und verfügte über alle Merkmale eines Arbeitslagers am Rande der Natur, mit wenigen Verzierungen, die über Generatoren, Versorgungspaletten und Quonset-Hütten hinausgingen. Die dortige Forschungsgemeinschaft existierte trotz des Klimas und nicht wegen des Klimas: Die aufgezeichneten Temperaturextreme betragen nur minus 50 Grad Celsius und die durchschnittlichen Jahrestemperaturen liegen bei minus 18 Grad Celsius.

Eisfisch vor der Küste der Antarktis, von Wikimedia Commons

Trotz der Bedingungen gedieh De Vries in der engen akademischen Atmosphäre und der rauen Feldarbeit, Fische zu fangen, zu lagern und zu analysieren. Die Herausforderungen seiner befristeten Arbeit dort würden ihn jedoch unerwartet zu einer bahnbrechenden Entdeckung und einem Leben in der Polarwissenschaft führen. Einige der Fische, die er gefangen und in Tanks gehalten hatte, starben, andere nicht. Sein Eifer, sein Problem zu lösen, und seine Neugier, seine Ursachen zu finden, würden zu einem ganzen Forschungszweig führen. Wie er Scientia Publications sagte,

„Während dieser Experimente bemerkte ich, dass ein Notothenioid-Fisch im tiefen Wasser erfrieren würde, wenn Eis in unserem gekühlten Salzwasser vorhanden wäre, während diejenigen, die im flachen Wasser gefangen wurden, in Gegenwart von Eis überlebten. Ich beschloss, für meine Doktorarbeit in Stanford zu untersuchen, warum es einen Unterschied zwischen diesen Arten gibt, die in Wasser mit der gleichen Temperatur (-1,9 ° C) leben. Ich untersuchte, welche Verbindungen für ihre Fähigkeit verantwortlich sind, ein Einfrieren in dieser Umgebung zu vermeiden, während Fische in gemäßigten Gewässern bei -0,8 ° C erfrieren würden. Meine Studie gipfelte in der Entdeckung der Frostschutzglykoproteine, der Verbindungen, die für ihre extreme Frostvermeidung verantwortlich sind. “

Der antarktische Eisfisch, den DeVries untersuchte, befindet sich in einem speziellen Club von Organismen mit der Fähigkeit, bei extremen Temperaturen zu leben. Einige dieser Organismen, wie der nordamerikanische Waldfrosch, können sich vom Gefrieren erholen, andere, wie der Eisfisch, überleben, indem sie ein Einfrieren vermeiden. Zu dieser Gruppe gehört auch eine Vielzahl von Lebewesen, von Insekten über Kieselalgen bis hin zu Pilzen und Bakterien, die sogenannte eisbindende Proteine ​​(IBP) verwenden, um zu überleben. Sie verwenden hierfür einen von fünf allgemeinen Mechanismen: Herstellung von Frostschutzmitteln; Strukturieren von Eis, bei dem beispielsweise eine Alge eine moderatere Flüssigkeitstasche im Eis erzeugt; Anhaften an Eis, wie es bestimmte Bakterien tun; Keimbildungseis; und Hemmung der Eisrekristallisation. Rekristallisation ist die Verfestigung kleiner Eiskristalle zu größeren, da sie durch Wasserstoffbrücken in einem Kaskadeneffekt angezogen werden.

McMurdo Sound Meereis von Bruce McKinlay, Flickr cc

Die Eisfische haben die erste Strategie entwickelt, ein eigenes Frostschutzmittel herzustellen. Frostschutzproteine ​​(AFP) können als alle eisbindenden Proteine ​​definiert werden, die den Gefrierpunkt der Hysterese unter den Schmelzpunkt der Hysterese senken und dadurch eine „thermische Hystereselücke“ erzeugen. Es handelt sich typischerweise um Alpha-Helix-Glykoproteine, die auch als Frostschutzglykoproteine ​​(AFGP) oder thermische Hystereseproteine ​​(THP) bekannt sind. Thermische Hysterese ist die Trennung von Gefrier- und Schmelztemperaturen. Die Fische können den Punkt senken, an dem das Wasser in ihnen gefriert, während der Punkt, an dem es schmilzt, gleich bleibt (mehr zu überraschenden Entwicklungen dazu später). Um zu verstehen, wie dies funktioniert, muss das Wasser selbst kurz besprochen werden.

Wasser ist das universelle Medium auf der Erde, mit einzigartigen Eigenschaften, die für eine Vielzahl von Lebensbedingungen unerlässlich sind, und ist ein kritischer Bestandteil der Lebewesen selbst. In allen drei Phasen, flüssig, fest und gasförmig, gibt es auf unserem Planeten kein anderes gemeinsames Material. Starke kovalente Bindungen halten Sauerstoff- und Wasserstoffatome in einem einzigen Molekül zusammen, aber schwächere Wasserstoffbrücken verbinden Wassermoleküle miteinander. Die polare Natur des Moleküls mit Sauerstoffnegativ und Wasserstoffpositiv ermöglicht es, sich leicht an andere Moleküle zu binden, was ein ausgezeichnetes und universelles Lösungsmittel ergibt. Wasser hat eine hohe Wärmekapazität, die als Zurückhaltung bei Temperaturänderungen trotz seiner Umgebung bezeichnet werden kann. Dies schafft einen wichtigen moderierenden Einfluss auf das Klima in vielen Maßstäben. Es wurde geschätzt, dass unsere Ozeane die tausendfache Wärme unserer Atmosphäre aufnehmen können, ohne die Temperatur wesentlich zu verändern. Der größte Teil der zunehmenden Hitze des globalen Klimawandels wurde beispielsweise von den Ozeanen der Erde absorbiert.

Wenn Wasser kälter wird, folgt seine Dichte einem vorhersagbaren Materialtrend, der mit jedem Temperaturabfall bis zu 4 ° C dichter wird. Wenn Wasser zu Eis wird, wird es leichter und weniger dicht (ungefähr 9%), wenn sich die Wasserstoffatome zu a verbinden Kristallgitterstruktur. Diese Eigenschaft ermöglicht es dem Eis, auf seiner dichteren flüssigen Phase zu schwimmen, wodurch überwinternde Wasserlebewesen rund um den Globus, einschließlich im Antarktischen Ozean, möglich werden. Die Expansion von Wasser beim Wechsel von flüssiger zu fester Phase kann ebenfalls eine starke Störkraft sein. Granit spalten können.

Diese Kraft kann auf intrazellulärer und zellulärer Ebene gleichermaßen belastend sein. Die Ausdehnung von festem Wasser innerhalb der Zellen kann dazu führen, dass sie platzen, und das Einfrieren der Interzellularräume führt zu Wasserverlust und zur Bildung von Ionen und Metaboliten, wenn sich Eis bildet. Dieses Wasserungleichgewicht führt zu einem Flüssigkeitsfluss aus den Zellen in die Zwischenräume. Dies kann zu einer toxischen Konzentration von Ionen in der Zelle oder zu einem signifikanten Verlust der Druckbeständigkeit und zum Zusammenbruch der Zellen führen.

Eine Reihe von Organismen in verschiedenen Königreichen hat sich an Temperaturen angepasst, die Wasser gefrieren lassen: Pflanzen, Hefen, Bakterien und Tiere wie Fische und Insekten. Sie wenden unterschiedliche Strategien an, aber alle müssen nach den physikalischen Regeln ihrer Umgebung leben, insbesondere nach den Eigenschaften des Wassers.

Wenn Salz in Wasser gelöst wird, senkt es seinen Gefrierpunkt. Meerwasser hat daher etwas andere Eigenschaften als frisches, da die gelösten Salze (3,5% für typisches Meerwasser) den Gefrierpunkt auf minus 1,9 ° C senken. Dies wird als Gefrierpunkterniedrigung bezeichnet und ist eine häufig entwickelte Strategie für viele Bewohner oder Psychophile mit kaltem Klima . De Vries erkannte, dass die Gefrierpunkterniedrigung, die bei seinem überlebenden Flachwasserfisch auftrat, nicht allein durch gewöhnliche Körpersalze im Serum des Fisches erklärt werden konnte. Er entwickelte eine Reihe von Experimenten, um die chemische Zusammensetzung seiner beiden Fischarten zu unterscheiden, und isolierte die Glykoproteine, die für seine Entdeckung entscheidend waren. Die Proteine ​​banden sich an Eiskristalle im Blut der Fische und verhinderten deren Wachstum. Dies, kombiniert mit Körpersalzen, ermöglichte es dem Fisch, flüssiges Blut bei minus 2,5 ° C zu halten.

McMurdo Station von Bruce McKinlay, Flickr cc

Was er und seine Kollegen schließlich herausfanden, war, dass diese Glykoproteine ​​in einem als Adsorptionshemmung bezeichneten Prozess irreversibel an Eiskristalle banden (DeVries und Raymond, 1977). Dies ist ein sogenannter "Step-Pinning" -Prozess, bei dem wichtige physikalische Sequenzen, die zum Einfrieren erforderlich sind, unterbrochen oder verkürzt werden. In diesem Fall banden die AFPs an kleine entstehende Eiskristalle und zwangen die Eisbildung in kleinere Räume zwischen den Adsorptionsstellen, wodurch die Wachstumsfront des Eisgitters in eine Kurve gebogen wurde. Dies erzeugte eine höhere freie Oberflächenenergie und senkte effektiv den Gefrierpunkt in einem Phänomen, das als Gibbs-Thomson-Effekt bezeichnet wird.

AFPs sind typischerweise kleine zusammengesetzte Proteine ​​mit einer exzentrischen Belastung der Aminosäure Threonin. Threonin hat eine hydrophile Oberfläche, an die sich Wassermoleküle schwach anlagern. Diese Adsorption verhindert, dass die Mikrokristalle zu größeren Kristallen verschmelzen, und hält das Wasser im flüssigen Zustand.

Es scheint, dass diese kleinen Eiskristalle ein Leben lang im Fisch verbleiben, aber dies wird noch untersucht. Zwar gibt es keine Hinweise darauf, dass die Fische durch das ganzjährige Vorhandensein der Kristalle beeinträchtigt werden, doch DeVries ist der Ansicht, dass sie über einen Mechanismus verfügen müssen, um sie zu entleeren. Eine überraschende Entdeckung in jüngster Zeit war, dass die Kristalle durch das Vorhandensein der AFPs dem Schmelzen widerstehen. höhere Temperaturen sind erforderlich, um sie zu schmelzen, sowie niedrigere Temperaturen, um sie zu bilden.

DeVries zufolge ist nicht bekannt, wie diese Proteine ​​Festphasen-Wassermoleküle in dieser flüssigen Umgebung erkennen und bevorzugt an sie binden können. Wie sie das Wachstum verhindern, wird ebenfalls noch untersucht, wobei das Adsorptionshemmungsmodell noch zur Debatte und Verfeinerung offen ist. Dennoch gibt es keinen Grund, dies als erfolgreiche Überlebensstrategie zu widerlegen. In der Tat ist dies ein Beispiel für Konvergenz, häufig ein Indikator, wenn nicht sogar eine Garantie für wirksame und dauerhafte Lösungen in der Natur. Zwei genetisch unterschiedliche Fischpopulationen, eine in der Arktis (Kabeljau) und eine in der Antarktis (Notothenioide), haben diese Techniken entwickelt.

Die Entdeckung dieser Frostschutzproteine ​​hat möglicherweise eine ganze Forschungsbranche in ihren Fähigkeiten berührt, aber sind sie genauso leistungsfähig wie ihr kommerzieller Namensvetter? Es scheint, dass sie tatsächlich um eine Größenordnung viel besser abschneiden. Der Grund ist die Selektivität, die sie beim Anhaften an den kleinen Eiskristallen zeigen. Ethylenglykol, die grüne Flüssigkeit, die typischerweise in Autokühlern verwendet wird, wirkt durch Massenwirkung und stört die Wasserstoffbindung durch das chemische Äquivalent von Teppichbomben. Obwohl es nicht persistent ist, ist die Chemikalie ein mäßig giftiges Gift. Beim Verschlucken wird es durch Ethanolhydrogenase in Oxalsäure umgewandelt. Oxalsäure ist hochgiftig und wirkt sich auf das Zentralnervensystem, das Herz, die Lunge und die Nieren aus. Es ist jedes Jahr für Zehntausende von Tiervergiftungen und Tausende von Menschenvergiftungen verantwortlich. Ethylenglykol wurde in Ratten in höheren Dosen als entwicklungstoxisches Mittel nachgewiesen.

Die Flechte Xanthoria elegans kann bei -24 ° C weiter photosynthetisieren. Foto von Jason Hollinger

Propylenglykol mit Metallnanopartikeln wurde als sicherere Alternative zu Ethylenglykol entwickelt, es fehlt jedoch die Effizienz der AFPs. Es ist jedoch billiger, leicht verfügbar und verwendet ein Material, das bereits in der Lebensmittelindustrie verwendet und von der FDA zugelassen wurde.

Trotz jahrzehntelanger Forschung über den Mechanismus dieser Proteine ​​gibt es nur wenige Anwendungen in der Industrie. Proteine ​​aus dem Schmollfisch der Arktis werden in Eiscreme verwendet, um eine Rekristallisation zu verhindern, und AFPs und Wachstumshormone werden in transgenen Zuchtlachs eingeführt, um die Winterhärte und das Wachstum zu erhöhen. Im biomedizinischen Bereich verspricht die Verwendung dieser Proteine ​​jedoch die meisten Belohnungen und Herausforderungen.

Der Transport und die Transplantation von Organen, die Erhaltung des menschlichen Körpers für die zukünftigen Wunder der Medizin (Kryonik) und die Durchführung von Operationen sind alles Bestrebungen, bei denen AFPs eine revolutionäre Rolle spielen könnten. Einzelne Zellen wie Spermien und Eier werden routinemäßig eingefroren und gelagert, aber größeres Gewebe ist schwieriger zu konservieren. AFPs wurden erfolgreich eingesetzt, um Ratten- und Schweineherzen bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zu erhalten. In einem Experiment entfernten die Forscher ein Rattenherz, konservierten es 24 Stunden lang in sterilem Wasser und AFPs bei minus 1,3 ° C und transplantierten dann das aufgewärmte (nicht pumpende) Herz in eine neue Ratte.

Trotz dieser frühen Erfolge und des großen Versprechens der AFP bleibt die Technologie zur Erhaltung menschlicher Organe weit hinter der medizinischen Nachfrage zurück. Das US-Gesundheitsministerium schätzt, dass täglich etwa 21 Patienten sterben und auf ein Organ warten, das nicht verfügbar ist. Mit den aktuellen Techniken bleiben die Lungen nur zwölf Stunden und die Herzen nur vier oder fünf Stunden lang verwendbar. Die Toxizität von Kryoprotektiva und die störenden Auswirkungen des Auftauens sind zwei der schwierigsten Probleme. Während die Verglasung eine wirksame Technik zum schnellen Einfrieren von Organen in einen Glaszustand ist, beruhen die meisten Techniken darauf, die Zellen mit giftigen Chemikalien zu pumpen, und beim Auftauen sind die Schäden am schwerwiegendsten. Die unterschiedliche Erwärmung führt zum Splittern und Brechen von Material, das entgegengesetzten Kräften ausgesetzt ist. Ein Team der University of Minnesota arbeitet jedoch an einer Methode zur Verwendung von Nanopartikeln, um Organe sanft und gleichmäßig auf Lebenstemperaturen zu erwärmen. Die magnetischen Nanopartikel werden durch Radiowellen in einem Prozess, den das Team als „Nanowarming“ bezeichnet, zur Aktivität (und Wärme) angeregt. Die Technik wurde erfolgreich bei Zellclustern eingesetzt.

Andere Forschungsteams suchen anderswo in der Natur nach noch wirksameren Frostschutzmitteln. Eines ist ein Glykolipid, das in einem gefriertoleranten alaskischen Käfer, Upis ceramboides, gefunden wird, der es dem Insekt ermöglicht, Temperaturen von minus 60 ° C auszuhalten und sich dennoch zu erholen. Cell and Tissue Systems aus South Carolina setzt es nach Angaben des Unternehmens erfolgreich bei der Konservierung von Geweben für Tage bei Temperaturen unter Null ohne Verschlechterung ein. Das Glykolipid scheint die Membran der Zelle zu beschichten, sie gegen äußeres Eis zu panzern und sie gegen den osmotischen Abzug von Flüssigkeit aus der Zelle abzudichten.

Egal, ob Sie ein Protein oder ein Glykolipid verwenden, die Gefriertemperaturen senken oder das Einfrieren ertragen, sich mit Kryoprotektiva vollpumpen, sich selbst versiegeln oder austrocknen - die Organismen aller Domänen der Natur leben mit der ungewöhnlichen Kälte. Es liegt immer noch an den menschlichen Forschern, diese Geheimnisse vollständig zu entschlüsseln und sie für eine bessere Erhaltung des Lebens einzusetzen.

Ursprünglich auf Zygote Quarterly veröffentlicht.