Wie adaptive Veränderungen in Zellflüssigkeiten es Meereslebewesen ermöglichen, mit abiotischen Stressoren fertig zu werden

Eine Reihe von abiotischen Stressoren stellt das Meeresleben aufgrund ihres weitreichenden Einflusses auf alle Klassen biochemischer Systeme vor vielfältige Herausforderungen. Schwankungen der Temperatur, des hydrostatischen Drucks und des Salzgehalts können Strukturen und Funktionen aller molekularen Systeme stören, von denen das Leben abhängt. In einem Artikel veröffentlicht in Wissenschaft und Technologie des Meereslebenskonzentriert sich Professor Somero hauptsächlich auf eine Klasse von Stressoren, die die Leistung aller Arten von großen molekularen Systemen in Frage stellen: Proteine, Nukleinsäuren und Lipoproteinmembranen.

Die störenden Auswirkungen dieser Stressoren auf biochemischer Ebene resultieren oft aus ihrem Potenzial, das feine Gleichgewicht zu stören, das zwischen Stabilität und Flexibilität der Strukturen höherer Ordnung dieser großen molekularen Systeme erforderlich ist, die weitgehend durch nicht-kovalente (schwache) chemische Bindungen wie Wasserstoffbrückenbindungen, ionische Wechselwirkungen und hydrophobe Effekte. Wichtig ist, dass alle makromolekularen Systeme einer Zelle dieses Gleichgewicht zwischen Flexibilität und Stabilität finden müssen, wenn die Physiologie eines Organismus optimal funktionieren soll.

Dieses physiologisch wichtige Gleichgewicht zwischen Stabilität und Flexibilität der Struktur in großen molekularen Systemen wird auf zwei prinzipielle Weisen erreicht. Erstens führen die abiotischen Bedingungen, denen ein Organismus ausgesetzt ist, während der Evolution zu genetisch basierten Anpassungen in der Konformationsstabilität von Proteinen und bestimmten Arten von Nukleinsäuren sowie zu Unterschieden in der Lipidzusammensetzung. Diese intrinsischen Anpassungen bedeuten, dass sie im Genom des Organismus kodiert sind. Zweitens ergänzen diese intrinsischen, sequenzbasierten Anpassungen in der makromolekularen Struktur Veränderungen in den chemischen Zusammensetzungen – den „mikromolekularen Inhalten“ – biologischer Lösungen, die Makromoleküle umhüllen und ihre Stabilität und Funktion beeinflussen. Kleine organische gelöste Stoffe – organische Osmolyte – spielen eine zentrale Rolle bei diesen Anpassungsreaktionen. Diese extrinsischen Anpassungen aufgrund von Osmolyten erleichtern die Beibehaltung der entstandenen Unterschiede in der makromolekularen Stabilität unter verschiedenen Umweltbedingungen.

Der Artikel entwickelt eine parallele Analyse zwischen Anpassungsreaktionen auf zwei wichtige physikalische Stressoren der Ozeane, Temperatur und hydrostatischen Druck. Für beide Stressoren sind intrinsische und extrinsische adaptive Veränderungen von entscheidender Bedeutung. Die Analyse konzentriert sich auf die folgenden zwei Fragen, um die adaptiven Veränderungen in Osmolytsystemen zu diskutieren. Erstens: Ändert sich die makromolekulare Stabilisierungskraft des intrazellulären Osmolytpools mit der evolutionären Anpassungstemperatur (oder dem Druck) und mit der jüngsten thermischen (oder Druck-) Exposition der Organismen (Akklimatisierungseffekte)? Zweitens: Beziehen Anpassungsänderungen bei der Modulation der stabilisierenden Kraft des Osmolytpools Änderungen in den verwendeten Osmolyttypen, Änderungen in ihren absoluten oder relativen Konzentrationen oder eine Kombination dieser beiden Strategien ein?

Der Bereich der Umweltverträglichkeit einer Spezies kann davon abhängen, wie effektiv die Osmolytzusammensetzung ihrer Zellflüssigkeit angesichts von Stress verändert werden kann. Die Studie zieht die folgenden vier Hauptschlussfolgerungen: Erstens können organische Osmolyte in den meisten Meeresorganismen das optimale Gleichgewicht zwischen makromolekularer Steifigkeit und Flexibilität aufrechterhalten (oder wiederherstellen), das ein biologischer Schlüssel für die optimale Funktion von Makromolekülen ist. Zweitens können adaptive Änderungen in der Zusammensetzung und Konzentration des Osmolytpools Auswirkungen auf Makromoleküle und Biofilmsysteme haben und eine wichtige Rolle bei der Etablierung der optimalen Umweltverträglichkeit von Organismen spielen. Drittens unterscheiden sich stabilisierende Osmolyte stark darin, wie effektiv sie die Stabilität von Makromolekülen verbessern. Viertens kann die Fähigkeit von Osmolytsystemen zur Feinabstimmung des Stabilisierungspotentials von Zellflüssigkeiten angesichts von Änderungen der Körpertemperatur (oder des Drucks), die über verschiedene Zeiträume auftreten, Organismen dabei helfen, den Auswirkungen von Umweltveränderungen zu widerstehen, insbesondere den aufgrund auftretenden Temperaturänderungen zur globalen Erwärmung.

Dieser Artikel bietet Meeresbiologen nicht nur wichtige neue Informationen darüber, wie sich Meereslebewesen an die abiotischen Stressoren des Meeres anpassen, sondern diese Untersuchungen lehren auch physikalische Biochemiker wichtige Dinge über die Physik der Wechselwirkungen zwischen Wasser und gelösten Stoffen und schlagen für Technikinteressierte neue Strategien vor für die Entwicklung von Lösungen, die bei der Stabilisierung und Konservierung biologischer Materialien helfen.

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