Comment les changements adaptatifs dans les fluides cellulaires permettent à la vie marine de faire face aux facteurs de stress abiotiques

Un ensemble de facteurs de stress abiotiques pose de multiples défis à la vie marine en raison de leur influence généralisée sur toutes les classes de systèmes biochimiques. Les variations de température, de pression hydrostatique et de salinité peuvent perturber les structures et les fonctions de tous les systèmes moléculaires dont dépend la vie. Dans un article publié dans Science et technologie de la vie marinele professeur Somero se concentre principalement sur une classe d’effets de facteurs de stress qui remettent en cause les performances de tous les types de grands systèmes moléculaires : les protéines, les acides nucléiques et les membranes lipoprotéiques.

Les effets perturbateurs de ces facteurs de stress au niveau biochimique résultent souvent de leur potentiel à perturber l’équilibre délicat qui est nécessaire entre la stabilité et la flexibilité des structures d’ordre supérieur de ces grands systèmes moléculaires, qui sont stabilisés en grande partie par des particules non covalentes (faibles). les liaisons chimiques telles que les liaisons hydrogène, les interactions ioniques et les effets hydrophobes. Il est important de noter que tous les systèmes macromoléculaires d’une cellule doivent trouver cet équilibre entre flexibilité et stabilité si la physiologie d’un organisme doit fonctionner de manière optimale.

Cet équilibre physiologiquement important entre la stabilité et la flexibilité de la structure dans les grands systèmes moléculaires est atteint de deux manières principales. Premièrement, au cours de l’évolution, les conditions abiotiques auxquelles un organisme est confronté conduisent à des adaptations génétiques dans les stabilités conformationnelles des protéines et de certains types d’acides nucléiques, et à des différences dans les compositions lipidiques. Ces adaptations intrinsèques signifient qu’elles sont codées dans le génome de l’organisme. Deuxièmement, en complément de ces adaptations intrinsèques basées sur la séquence dans la structure macromoléculaire, il y a des altérations dans les compositions chimiques – le « contenu micromoléculaire » – des solutions biologiques qui baignent les macromolécules et influencent leurs stabilités et leurs fonctions. Les petits solutés organiques, les osmolytes organiques, jouent un rôle central dans ces réponses adaptatives. Ces adaptations extrinsèques dues aux osmolytes facilitent la rétention des différences évoluées de stabilité macromoléculaire dans différentes conditions environnementales.

L’article développe une analyse parallèle entre les réponses adaptatives à deux facteurs de stress physiques importants des océans, la température et la pression hydrostatique. Pour les deux facteurs de stress, les changements adaptatifs intrinsèques et extrinsèques sont d’une importance vitale. L’analyse se concentre sur les deux questions suivantes pour discuter des changements adaptatifs dans les systèmes osmolytiques. Premièrement, le pouvoir stabilisant macromoléculaire du pool d’osmolytes intracellulaires varie-t-il avec la température (ou la pression) d’adaptation évolutive et avec l’exposition thermique (ou la pression) récente des organismes (effets d’acclimatation) ? Deuxièmement, en modulant le pouvoir stabilisateur du pool d’osmolytes, les changements adaptatifs impliquent-ils des altérations dans les types d’osmolytes utilisés, des changements dans leurs concentrations absolues ou relatives, ou une combinaison de ces deux stratégies ?

La plage de tolérance environnementale d’une espèce peut dépendre de l’efficacité avec laquelle la composition en osmolytes de son fluide cellulaire peut être modifiée face au stress. L’étude tire les quatre principales conclusions suivantes : Premièrement, dans la plupart des organismes marins, les osmolytes organiques peuvent maintenir (ou restaurer) l’équilibre optimal de rigidité et de flexibilité macromoléculaires, clé biologique du fonctionnement optimal des macromolécules. Deuxièmement, les changements adaptatifs dans la composition et la concentration du pool d’osmolytes peuvent avoir des effets sur les macromolécules et les systèmes de biofilm et jouer un rôle important dans l’établissement de la tolérance environnementale optimale des organismes. Troisièmement, les osmolytes stabilisants varient considérablement dans l’efficacité avec laquelle ils améliorent la stabilité des macromolécules. Quatrièmement, la capacité des systèmes osmolytiques à affiner le potentiel de stabilisation des fluides cellulaires face aux changements de température corporelle (ou de pression) qui se produisent sur différentes périodes de temps peut aider les organismes à résister aux effets des changements environnementaux, notamment les changements de température dus à au réchauffement climatique.

Cet article offre non seulement aux biologistes marins de nouvelles informations importantes sur la façon dont la vie marine s’adapte aux facteurs de stress abiotiques de la mer, mais ces recherches enseignent également aux biochimistes physiques des choses essentielles sur la physique des interactions eau-soluté et, pour les technophiles, suggèrent de nouvelles stratégies. pour développer des solutions qui aident à la stabilisation et à la conservation des matériaux biologiques.

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