Studie zeigt Kälteanpassungen im Nervensystem antarktischer Oktopusse auf

Das mit gelöstem Salz beladene antarktische Wasser kann knapp über dem Gefrierpunkt liegen und sogar darunter sinken. Bei so niedrigen Temperaturen würden wahrscheinlich die Tiere sterben, die in wärmeren Gewässern weiter nördlich gedeihen. Dennoch haben einige Lebewesen Wege gefunden, in dieser unwirtlichen Kälte zu überleben.

In einer neuen Studie beschrieben in Verfahren der Nationalen Akademie der WissenschaftenForscher des Marine Biological Laboratory (MBL) und ihre Mitarbeiter konzentrierten sich darauf, wie das Leben in einem solch kalten Lebensraum ein Enzym verändert hat, das für die Funktion des Nervensystems bei einem Tier, einem Oktopus, der im zirkumpolaren Südlichen Ozean lebt, essentiell ist. Ihre Arbeit erforscht eine der vielfältigen Möglichkeiten, wie Lebewesen sich an extreme Umgebungen angepasst haben.

„Wir haben uns ein sehr wichtiges Enzym für das Nervensystem, die Natrium-Kalium-Pumpe, im Detail angesehen und gefragt: ‚Wo sehen wir die meisten dieser Anpassungsorte?‘“, sagt Joshua Rosenthal, leitender Wissenschaftler am MBL.

Die Herausforderung des Lebens in der Kälte

Die Temperatur ist zum Teil lebenswichtig, weil die Enzyme, die alle Arten biochemischer Reaktionen im Körper auslösen, thermische Energie – die sich als Wärme manifestiert – benötigen, um zu funktionieren. Wenn die Temperaturen sinken, verlangsamt sich die Aktivität der Enzyme und kommt schließlich zum Stillstand.

Während einige Tiere, darunter auch Menschen, ihren eigenen Körper erwärmen können, fehlt diese Fähigkeit bei Tintenfischen. Doch diese achtarmigen Kreaturen haben einen Weg gefunden, in antarktischen Gewässern zu leben, wo die Kälte die Geschwindigkeit ihrer enzymatischen Reaktionen um das Dreißigfache reduziert. Das Nervensystem ist besonders gefährdet, da das Senden und Empfangen elektrischer Signale viele sorgfältig koordinierte Reaktionen erfordert. „Wenn man sie alle so stark verlangsamt, stellt sich die große Frage: Wie passen sie sich an?“ Rosenthal sagt.

Wissenschaftler haben die Kälteanpassung bereits bei vielen Proteinen untersucht, haben dabei jedoch diejenigen weitgehend übersehen, die in der hautähnlichen Membran eingebettet sind, die die Zellen umgibt. Membranproteine ​​erfüllen zahlreiche Aufgaben, darunter den Transport von Ionen in Zellen hinein und aus ihnen heraus. Das Protein im Zentrum der neuen Forschung, die Na+/K+-ATPase, entfernt Natriumionen aus Zellen und bringt gleichzeitig Kalium ein, wodurch ein Unterschied im elektrischen Potential entsteht, den Neuronen als Energiequelle für die Kommunikation nutzen.

Finden Sie die Veränderungen, die am wichtigsten sind

In früheren Untersuchungen hat das Team, zu dem Rosenthal und Miguel Holmgren gehören, ein Membranprotein-Biophysiker am US-amerikanischen National Institute of Neurological Disorders and Stroke und ein langjähriger Sommer-Whitman-Forscher am MBL, herausgefunden, dass Kälte die Natrium-Kalium-Pumpen eines antarktischen Oktopus verlangsamt , ein Mitglied der Gattung Pareledone, viel weniger als bei Zweipunkt-Oktopussen (Octopus bimaculatus), die in gemäßigten Gewässern leben, beispielsweise vor der Küste Kaliforniens.

Um die Unterschiede zwischen den Pumpen herauszufinden, untersuchte das Team die Bausteine, sogenannte Aminosäuren, aus denen sie bestehen. Obwohl die beiden weitgehend identisch sind, fanden sie einige Stellen, an denen sich die Aminosäuren unterschieden. Um herauszufinden, welche dieser Änderungen den größten Einfluss hatten, tauschten sie sie zwischen Pumpen aus und testeten die Auswirkungen.

Zuerst haben sie die Pumpe für gemäßigte Temperaturen so konstruiert, dass sie die einzigartigen antarktischen Aminosäuren enthält, um zu sehen, welche Kältetoleranz verleihen, und dann haben sie diese antarktischen Veränderungen entfernt, um die Pumpe wieder in ihren gemäßigten, kälteempfindlichen Zustand zu versetzen. Auf diese Weise beschränkten sie die wichtigsten Unterschiede auf drei, die es der Pumpe zusammengenommen ermöglichten, bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt schnell zu arbeiten.

Einer davon, L314V genannt, hatte die größte Wirkung. Der Austausch dieser Aminosäure vom Leucin der antarktischen Pumpe gegen ein gemäßigtes Valin könnte die neu entdeckte Kältetoleranz beseitigen.

Ein Thema für Kaltadaptionen?

Als sie die Position von L314V und den anderen beiden Veränderungen innerhalb der Struktur der Pumpe kartierten, fanden die Forscher sie am Rand, gegenüber der fettigen Membran. Im Fall von L314V glauben Forscher, dass eine Veränderung dieser Aminosäure die Art und Weise verändert, wie sich dieser Teil der Pumpe gegen die Membran bewegt, möglicherweise durch Verringerung des Widerstands, sodass die Pumpe schneller arbeiten kann.

„Für uns macht es Sinn“, dass die Grenzfläche zwischen dem Protein und der Membran ein Ort für solche Anpassungen wäre, sagt Holmgren. „Sobald wir mehr Membranproteine ​​untersucht haben, werden wir meiner Meinung nach weitere Beispiele dafür sehen.“