Криптобиоз или анабиоз — это метаболическое состояние экстремофильных организмов в ответ на неблагоприятные условия окружающей среды, такие как высыхание , замораживание и дефицит кислорода . В криптобиотическом состоянии все измеримые метаболические процессы останавливаются, предотвращая размножение , развитие и восстановление. Когда условия окружающей среды снова станут гостеприимными, организм вернется к своему метаболическому состоянию жизни, как это было до криптобиоза.
Ангидробиоз является наиболее изученной формой криптобиоза и происходит в ситуациях экстремального высыхания . Термин ангидробиоз происходит от греческого слова, означающего «жизнь без воды», и чаще всего используется для обозначения толерантности к высыханию, наблюдаемой у некоторых беспозвоночных животных, таких как бделлоидные коловратки , тихоходки , артемии , нематоды и по крайней мере одно насекомое, вид хирономид ( Polypedilum vanderplanki ). Однако другие формы жизни демонстрируют толерантность к высыханию. К ним относятся воскрешающее растение Craterostigma plantagineum , [1] большинство семян растений и многие микроорганизмы, такие как пекарские дрожжи . [2] Исследования показали, что некоторые ангидробиотические организмы могут выживать в сухом состоянии десятилетиями, даже столетиями. [3]
Беспозвоночные, подвергающиеся ангидробиозу, часто сжимаются в меньшую форму, а некоторые из них продолжают образовывать сахар , называемый трегалозой . Устойчивость к высыханию у растений связана с выработкой другого сахара, сахарозы . Считается, что эти сахара защищают организм от повреждения высыханием. [4] У некоторых существ, таких как бделлоидные коловратки, трегалоза не обнаружена, что заставило ученых предложить другие механизмы ангидробиоза, возможно, включающие внутренне неупорядоченные белки . [5]
В 2011 году было показано, что Caenorhabditis elegans , нематода, которая также является одним из наиболее изученных модельных организмов, подвергается ангидробиозу на стадии личинки дауэра . [6] Дальнейшие исследования с использованием генетических и биохимических инструментов, доступных для этого организма, показали, что в дополнение к биосинтезу трегалозы, в ангидробиозе на молекулярном уровне участвует ряд других функциональных путей. [7] Это в основном защитные механизмы от активных форм кислорода и ксенобиотиков , экспрессия белков теплового шока и внутренне неупорядоченных белков , а также биосинтез полиненасыщенных жирных кислот и полиаминов . Некоторые из них сохраняются среди ангидробиотических растений и животных, что позволяет предположить, что ангидробиотическая способность может зависеть от набора общих механизмов. Детальное понимание этих механизмов может позволить модифицировать неангидробиотические клетки, ткани, органы или даже организмы таким образом, чтобы их можно было сохранять в высушенном состоянии анабиоза в течение длительных периодов времени.
С 2004 года такое применение ангидробиоза применяется к вакцинам . В вакцинах этот процесс может производить сухую вакцину , которая реактивируется после инъекции в организм. Теоретически, технология сухой вакцины может использоваться для любой вакцины, включая живые вакцины, такие как вакцина от кори. Она также может быть потенциально адаптирована для обеспечения медленного высвобождения вакцины, устраняя необходимость в ревакцинациях. Это предполагает устранение необходимости в охлаждении вакцин, тем самым делая сухие вакцины более доступными во всем развивающемся мире, где охлаждение, электричество и надлежащее хранение менее доступны. [8]
На основе схожих принципов была разработана лиоконсервация как метод сохранения биологических образцов при температуре окружающей среды. [9] [10] Лиоконсервация — это биомиметическая стратегия, основанная на ангидробиозе , для сохранения клеток при температуре окружающей среды. Она была исследована как альтернативный метод криоконсервации . Метод имеет преимущества в том, что он позволяет сохранять биологические образцы при температуре окружающей среды, без необходимости охлаждения или использования криогенных температур. [11] [12]
В ситуациях недостатка кислорода (т. н. аноксия) многие криптобионты (например, M. tardigradum ) поглощают воду и становятся тургорными и неподвижными, но могут выживать в течение длительных периодов времени. Некоторые эктотермные позвоночные и некоторые беспозвоночные, такие как артемии , [13] веслоногие рачки , [14] нематоды, [15] и геммулы губок , [16] способны выживать в, казалось бы, неактивном состоянии в условиях аноксии в течение месяцев или десятилетий.
Исследования метаболической активности этих бездействующих организмов во время аноксии в основном не дали окончательных результатов. Это связано с тем, что трудно измерить очень малые степени метаболической активности достаточно надежно, чтобы доказать криптобиотическое состояние, а не обычную депрессию скорости метаболизма (MRD). Многие эксперты скептически относятся к биологической осуществимости аноксибиоза, поскольку организму удается предотвратить повреждение своих клеточных структур от отрицательной свободной энергии окружающей среды, несмотря на то, что он окружен большим количеством воды и тепловой энергии и не использует никакой собственной свободной энергии. Однако есть доказательства того, что вызванный стрессом белок p26 может действовать как шаперон белка, которому не требуется энергия в цистных эмбрионах Artemia franciscana ( морской обезьяны ), и, скорее всего, чрезвычайно специализированный и медленный путь гуанинового полинуклеотида продолжает обеспечивать метаболическую свободную энергию эмбрионам A. franciscana в условиях аноксии. Кажется, что A. franciscana приближается, но не достигает настоящего аноксибиоза. [17]
Хемобиоз — это криптобиотическая реакция на высокие уровни токсинов окружающей среды. Он наблюдался у тихоходок . [18]
Криобиоз — это форма криптобиоза, которая происходит в ответ на пониженную температуру . Криобиоз начинается, когда вода, окружающая клетки организма, замерзает. Остановка подвижности молекул позволяет организму переносить низкие температуры до тех пор, пока не вернутся более благоприятные условия. Организмы, способные переносить эти условия, обычно имеют молекулы, которые способствуют замерзанию воды в предпочтительных местах, а также препятствуют росту крупных кристаллов льда, которые в противном случае могли бы повредить клетки. [ необходима цитата ] Одним из таких организмов является омар . [19]
Осмобиоз — наименее изученный из всех типов криптобиоза. Осмобиоз возникает в ответ на повышенную концентрацию растворенного вещества в растворе, в котором живет организм. Мало что известно наверняка, кроме того, что осмобиоз, по-видимому, связан с прекращением метаболизма. [18]
Раки-артемии Artemia salina , которые можно найти в озерах Макгадикгади в Ботсване , [20] выживают в сухой сезон, когда вода в озерах испаряется, оставляя практически пересохшее дно озера.
Тихоходка , или водяной медведь, может подвергаться всем пяти типам криптобиоза. В криптобиотическом состоянии его метаболизм снижается до менее чем 0,01% от нормы, а содержание воды может упасть до 1% от нормы. [21] Он может выдерживать экстремальные температуры , радиацию и давление в криптобиотическом состоянии. [22]
Некоторые нематоды и коловратки также могут подвергаться криптобиозу. [23]
