Die Entwicklung von Ansätzen zum Schutz des menschlichen Wohlergehens in einem sich ändernden Klima wird von einem tieferen Verständnis davon abhängen, wie sich Säugetierzellen und -organismen an dramatische Veränderungen der Temperatur und der Verfügbarkeit von Nahrung und Wasser anpassen. Um beim Aufbau dieser Wissensbasis zu helfen, setzen die Forscher des Instituts Zellen von mehreren Arten von Säugetieren einer Reihe von erhöhten und verringerten Temperaturen aus; dann beobachten sie die Mechanismen, die die Zellen nutzen können, um extreme Bedingungen zu überleben.
Zum Beispiel untersucht Siniša Hrvatin, Institutsmitglied und Assistenzprofessorin für Biologie am MIT, den Winterschlaf bei Tieren. Er erklärt: „Um kalte Winter und begrenzte Nahrungsverfügbarkeit zu überleben, gehen bestimmte Tiere in den Winterschlaf und senken ihren Stoffwechsel und ihre Körpertemperatur, um Energie zu sparen. Erhöhte Umgebungstemperaturen scheinen jedoch Tiere daran zu hindern, in einen tiefen Winterschlaf zu gehen, was ihr Überleben im Winter beeinträchtigen kann. “ Das Labor von Hrvatin erweitert seine Untersuchungen darüber, wie sich Änderungen der Umgebungstemperatur auf die Fähigkeit von Tieren auswirken, vollständig in den Winterschlaf und in winterschlafähnliche Zustände einzutreten.
Es wird auch vorausgesagt, dass steigende Temperaturen bei vielen Arten von Insekten, Fischen und Säugetieren zu Unfruchtbarkeit führen – was möglicherweise einen bereits erheblichen globalen Rückgang der Fruchtbarkeit verschlimmert. Die Forscher des Instituts nutzen ihre weltweit anerkannte Forschung zu Keimzellen – den Vorläufern von Ei- und Samenzellen –, um dieses Phänomen zu erforschen und Wege zu finden, ihm entgegenzuwirken.
„Wir haben damit begonnen, uns einige Organismen anzusehen, die eine gewisse Fähigkeit entwickelt haben, sich an abnormale Temperaturen in ihrer Umgebung anzupassen“, erklärt Arjuna Rajakumar, Postdoktorandin im Lehmann-Labor. „Die Schlüsselfrage, die wir uns stellen, ist, ob diese Organismen ihre Keimbahn verändert haben, um diese Fähigkeit zu erlangen.
Bestimmte Tier- und Pflanzenarten haben die Fähigkeit entwickelt, trotz extremer Umweltveränderungen zu überleben und sogar zu gedeihen. Das Verständnis, wie diese Fähigkeiten auf molekularer und zellulärer Ebene funktionieren, könnte das Sprungbrett für neue Biotechnologien sein, die es anderen Arten ermöglichen, sich an den Klimawandel anzupassen. Zum Beispiel untersucht Institutsmitglied Ankur Jain die Rolle, die Late Embryogenese Associated (LEA)-Proteine bei der Fähigkeit spielen, schwere Dehydration zu überleben – eine Fähigkeit, die als Austrocknungstoleranz bekannt ist –, die von bestimmten Tieren, Bakterien und Pflanzen gezeigt wird.
Jain erklärt: „An einem bestimmten Punkt werden Pflanzensamen einer programmierten Dehydrierung unterzogen und verlieren etwa 90 % ihres Wassergehalts. Obwohl nicht klar ist, wie sie danach lebensfähig bleiben, erkennen wir, dass der Prozess mit einer massiven Hochregulierung von LEA-Proteinen verbunden ist.“ Diese Familie von Proteinen wurde auch bei Tieren identifiziert, die einer starken Dehydrierung standhalten können, wie etwa Bärtierchen und Wüstenskorpione; und die Expression von LEA-Proteinen verleiht bestimmten Bakterien auch Austrocknungstoleranz.
„Unser Team baut auf Arbeiten auf, die darauf hindeuten, dass die Proteine ein gelartiges Netzwerk bilden, das Wasser zurückhält“, sagt Jain, der auch Assistenzprofessor für Biologie und Thomas D. und Virginia W. Cabot Career Development Professor am MIT ist. „Sobald wir die Mechanismen der Austrocknungstoleranz besser verstehen, beabsichtigen wir, transgene Modelle mit erhöhter Toleranz gegenüber Austrocknung zu entwickeln.“