Một phương thuốc cho cảm lạnh không phổ biến

Bởi Tom McKeag

Khi Arthur DeVries đến ga McMurdo vào năm 1961, anh mới từ Đại học Stanford, nơi anh đã đăng ký 13 tháng để nghiên cứu quá trình chuyển hóa hô hấp của các loài cá Notothenioid đặc hữu được tìm thấy ở McMurdo Sound, Nam Cực. Notothenioids là cá đá Nam Cực, một loại con theo thứ tự Perciformes. Thứ tự này là thứ tự nhiều động vật có xương sống nhất trên thế giới và bao gồm cá rô, cichlids và cá vược. Năm họ cá Notothenioid thống trị Nam Đại Dương, bao gồm hơn 90 phần trăm sinh khối cá của khu vực. Chúng là một phần quan trọng của toàn bộ hệ sinh thái, nhưng hệ sinh thái đó sẽ không tồn tại ở dạng mạnh mẽ của nó nếu chúng không tiến hóa một cách để đánh bại cái lạnh cực độ của những vùng nước cực này. DeVries cuối cùng sẽ tìm ra cách.

Trạm McMurdo nằm ở mũi phía nam của đảo Ross, trạm lớn nhất trong ba cơ sở khoa học của Hoa Kỳ ở Nam Cực. Được thành lập vào năm 1958, McMurdo có tất cả các tính năng của bất kỳ trại lao động nào ở rìa của thiên nhiên thô sơ, với một vài điểm tô điểm ngoài máy phát điện, cung cấp pallet và túp lều Quonset. Cộng đồng nghiên cứu tồn tại bất chấp khí hậu, thay vì vì nó: nhiệt độ cực đoan được ghi nhận là thấp tới âm 50 độ C và nhiệt độ trung bình hàng năm nằm ở âm 18 độ C.

Cá đá ngoài khơi Nam Cực, bởi Wikimedia Commons

Bất chấp các điều kiện, De Vries phát triển mạnh trong bầu không khí hàn lâm gần gũi và công việc thực địa gồ ghề để đánh bắt, thả và phân tích cá. Tuy nhiên, những thách thức trong công việc tạm thời của anh ta ở đó sẽ đưa anh ta bất ngờ đến một khám phá đột phá và cả đời của khoa học vùng cực. Một số con cá anh đang bắt và giữ trong bể đang chết, trong khi những con khác thì không. Sự nhiệt tình của anh ấy để giải quyết vấn đề của anh ấy và sự tò mò của anh ấy để tìm ra nguyên nhân của nó sẽ dẫn đến toàn bộ một nhánh nghiên cứu. Như ông đã nói với ấn phẩm khoa học,

Trong các thí nghiệm này, tôi nhận thấy rằng một con cá Notothenioid nước sâu sẽ đóng băng đến chết nếu có bất kỳ nước đá nào có trong nước muối lạnh của chúng tôi trong khi những con cá bị bắt trong nước cạn vẫn sống sót khi có băng. Tôi quyết định điều tra lý do tại sao có sự khác biệt ở những loài này sống trong nước có cùng nhiệt độ (-1,9 ° C) cho nghiên cứu luận án tiến sĩ của tôi tại Stanford. Tôi đã nghiên cứu những hợp chất nào chịu trách nhiệm cho khả năng của chúng để tránh bị đóng băng trong môi trường này trong khi cá ở vùng nước ôn đới sẽ đóng băng đến chết ở -0,8 ° C. Nghiên cứu của tôi lên đến đỉnh điểm khi phát hiện ra glycoprotein chống đông, các hợp chất chịu trách nhiệm cho việc tránh đóng băng cực độ của chúng.

Loài cá băng ở Nam Cực mà DeVries đang nghiên cứu nằm trong một câu lạc bộ sinh vật đặc biệt với khả năng sống ở vùng cực nhiệt độ thấp. Một số trong số các sinh vật này, như Ếch gỗ Bắc Mỹ, có thể phục hồi sau khi đóng băng, và một số, như cá đá, sống sót bằng cách tránh bị đóng băng. Một loạt lớn các sinh vật từ côn trùng đến tảo cát đến nấm và vi khuẩn cũng thuộc nhóm này sử dụng cái gọi là protein liên kết băng (IBP) để tồn tại. Họ sử dụng một trong năm cơ chế chung cho việc này: sản xuất chất chống đông; cấu trúc băng trong đó, ví dụ, một tảo sẽ tạo ra một túi chất lỏng vừa phải hơn trong băng; tuân thủ băng, chẳng hạn như vi khuẩn nhất định làm; băng hạt nhân; và ức chế tái kết tinh băng. Kết tinh lại là sự hợp nhất của các tinh thể băng nhỏ thành những tinh thể lớn hơn khi chúng bị thu hút bởi liên kết hydro trong hiệu ứng tầng.

McMurdo Âm thanh băng biển của Bruce McKinlay, Flickr cc

Cá đá đã phát triển chiến lược đầu tiên tạo ra chất chống đông của riêng chúng. Các protein chống đóng băng (AFP) có thể được định nghĩa là bất kỳ protein liên kết băng nào làm giảm điểm đóng băng trễ bên dưới điểm nóng chảy trễ, do đó tạo ra khoảng cách trễ trễ nhiệt. Chúng thường là các glycoprotein alpha helix còn được gọi là glycoprotein chống đông (AFGP) hoặc protein trễ nhiệt (THP). Độ trễ nhiệt là sự phân tách nhiệt độ đóng băng và nóng chảy. Cá có thể hạ thấp điểm mà nước bên trong chúng đóng băng, trong khi điểm mà nó tan chảy vẫn như cũ (nhiều hơn về những phát triển đáng ngạc nhiên về điều này sau này). Để hiểu làm thế nào điều này hoạt động đòi hỏi một cuộc thảo luận ngắn gọn về chính nước.

Nước là phương tiện phổ biến trên trái đất, với các tính chất độc đáo cần thiết cho một loạt các điều kiện có thể sống và là một phần quan trọng của chính các sinh vật sống. Không có vật liệu phổ biến khác tồn tại tự nhiên trên hành tinh của chúng ta trong cả ba giai đoạn, lỏng, rắn và khí. Liên kết cộng hóa trị mạnh giữ các nguyên tử oxy và hydro với nhau trong một phân tử, nhưng liên kết hydro yếu hơn kết nối các phân tử nước với nhau. Bản chất cực của phân tử, với oxy âm và hydro dương, cho phép nó liên kết dễ dàng với các phân tử khác, tạo ra một dung môi tuyệt vời và phổ quát. Nước có công suất nhiệt cao, có thể được mô tả như là một sự lưu giữ để thay đổi nhiệt độ bất chấp môi trường xung quanh. Điều này tạo ra một ảnh hưởng kiểm duyệt quan trọng đối với khí hậu ở nhiều quy mô. Người ta ước tính rằng đại dương của chúng ta có thể hấp thụ nhiệt lượng gấp một nghìn lần so với khí quyển của chúng ta mà không thay đổi nhiệt độ đáng kể. Ví dụ, hầu hết sức nóng của biến đổi khí hậu toàn cầu đã được các đại dương trên trái đất hấp thụ.

Khi nước trở nên lạnh hơn, mật độ của nó theo xu hướng vật chất có thể dự đoán được, ngày càng dày hơn với nhiệt độ giảm xuống cho đến 4 độ C. Khi nước chuyển thành băng, nó trở nên nhẹ hơn, đậm đặc hơn (khoảng 9%) khi các nguyên tử hydro liên kết để tạo thành một cấu trúc mạng tinh thể. Đặc tính này cho phép băng trôi trên đỉnh pha lỏng dày đặc hơn, khiến cho đời sống thủy sinh đan xen có thể xảy ra trên toàn cầu, bao gồm cả ở Nam Cực. Sự giãn nở của nước trong sự thay đổi từ pha lỏng sang pha rắn cũng có thể là một lực gây rối mạnh mẽ; có khả năng tách đá granit.

Lực này có thể căng như nhau ở cấp độ nội bào và tế bào. Sự giãn nở của nước rắn bên trong các tế bào có thể khiến chúng vỡ ra, và sự đóng băng của các khoảng gian bào gây mất nước và sự tích tụ ion và chất chuyển hóa dưới dạng băng. Sự mất cân bằng nước này thúc đẩy một dòng chất lỏng ra khỏi các tế bào và vào khoảng trống giữa. Điều này có thể dẫn đến nồng độ các ion độc hại trong tế bào hoặc làm giảm đáng kể khả năng kháng áp lực và sụp đổ tế bào.

Một loạt các sinh vật trên khắp các vương quốc đã thích nghi với nhiệt độ đóng băng nước: thực vật, nấm men, vi khuẩn và động vật như cá và côn trùng. Họ sử dụng các chiến lược khác nhau, nhưng tất cả phải sống theo các quy tắc vật lý của môi trường, đặc biệt là các đặc tính của nước.

Khi muối được hòa tan trong nước, nó làm giảm điểm đóng băng của nó. Do đó, nước biển có các tính chất hơi khác so với nước ngọt vì muối hòa tan (3,5% đối với nước biển thông thường) hạ thấp điểm đóng băng xuống âm 1,9 độ C. Đây được gọi là trầm cảm điểm đóng băng và là một tầng phát triển phổ biến đối với nhiều người sống ở vùng khí hậu lạnh hoặc bệnh tâm thần . De Vries nhận ra rằng trầm cảm điểm đóng băng thể hiện ở cá nước cạn còn sót lại của mình không thể được giải thích chỉ bằng muối cơ thể thông thường trong huyết thanh của cá. Ông đã nghĩ ra một loạt các thí nghiệm để phân biệt thành phần hóa học của hai loại cá của mình và phân lập glycoprotein là chìa khóa cho khám phá của ông. Các protein đã tự gắn vào các tinh thể băng trong máu của cá và ngăn chúng phát triển. Điều này, kết hợp với muối cơ thể, cho phép cá duy trì máu lỏng ở âm 2,5 độ C.

Trạm McMurdo của Bruce McKinlay, Flickr cc

Cuối cùng, ông và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng các glycoprotein này liên kết với các tinh thể băng không thể đảo ngược trong một quá trình mà họ gọi là ức chế hấp phụ (DeVries và Raymond, 1977). Đây là một quá trình được gọi là bước chân ghim của Google trong đó các trình tự vật lý quan trọng cần thiết cho quá trình đóng băng bị gián đoạn hoặc bị hạn chế. Trong trường hợp này, các AFP đã liên kết với các tinh thể băng nhỏ mới sinh và buộc sự hình thành băng vào các không gian nhỏ hơn giữa các vị trí hấp phụ do đó uốn cong mặt trước sự phát triển của mạng băng thành một đường cong. Điều này tạo ra năng lượng tự do bề mặt cao hơn và hạ thấp điểm đóng băng một cách hiệu quả trong một hiện tượng gọi là hiệu ứng Gibbs-Thomson.

AFP thường là các protein hợp chất nhỏ có tải trọng lệch tâm của axit amin threonine. Threonine có bề mặt ưa nước mà các phân tử nước bám vào yếu. Sự hấp phụ này ức chế các vi tinh thể kết lại thành các tinh thể lớn hơn và giữ cho nước ở trạng thái lỏng.

Dường như những tinh thể băng nhỏ này vẫn còn trong cá suốt đời, nhưng điều này vẫn đang được nghiên cứu. Mặc dù không có bằng chứng nào cho thấy cá bị ảnh hưởng xấu bởi sự hiện diện quanh năm của các tinh thể, DeVries tin rằng chúng phải có một cơ chế để vô hiệu hóa chúng. Một phát hiện đáng ngạc nhiên gần đây là sự hiện diện của AFP làm cho các tinh thể chống lại sự tan chảy; nhiệt độ cao hơn là cần thiết để làm tan chảy chúng cũng như nhiệt độ thấp hơn cần thiết để hình thành chúng.

Theo DeVries, điều không được biết đến là làm thế nào các protein này có thể nhận ra các phân tử nước pha rắn trong môi trường lỏng này và tốt nhất là liên kết với chúng. Làm thế nào họ ngăn chặn sự tăng trưởng vẫn còn được nghiên cứu, với mô hình ức chế hấp phụ vẫn còn mở để tranh luận và sàng lọc. Tuy nhiên, không có bác bỏ đây là một chiến lược sinh tồn thành công. Thật vậy, nó là một ví dụ về sự hội tụ, thường là một chỉ số, nếu không phải là sự bảo đảm, về các giải pháp hiệu quả và bền vững trong tự nhiên. Hai quần thể cá khác biệt về mặt di truyền, một ở Bắc Cực (Cod Bắc Cực) và một ở Nam Cực (Notothenioids), đã phát triển các kỹ thuật này.

Việc phát hiện ra các protein chống đóng băng này có thể đã chạm đến toàn bộ ngành nghiên cứu về khả năng của chúng, nhưng liệu chúng có hoạt động tốt như tên thương mại của chúng không? Có vẻ như họ làm, như một vấn đề thực tế tốt hơn nhiều bởi một thứ tự cường độ. Lý do là sự chọn lọc mà chúng thể hiện trong việc gắn vào các tinh thể băng nhỏ. Ethylene glycol, chất lỏng màu xanh lá cây thường được sử dụng trong bộ tản nhiệt xe hơi, hoạt động bằng hiệu ứng hành động hàng loạt, phá vỡ liên kết hydro bằng hóa chất tương đương với ném bom thảm. Mặc dù nó không dai dẳng, hóa chất là một chất độc độc vừa phải. Khi nuốt phải nó được chuyển thành axit oxalic bởi ethanol hydroase. Axit oxalic có độc tính cao, ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương, tim, phổi và thận. Nó chịu trách nhiệm cho hàng chục ngàn vụ ngộ độc động vật và hàng ngàn vụ ngộ độc của con người mỗi năm. Ethylene glycol đã được chứng minh là một chất độc phát triển ở liều cao hơn ở chuột.

Địa y, Xanthoria Elegans có thể tiếp tục quang hợp ở -24 ° c. Ảnh của Jason Hollinger

Propylene glycol với các hạt nano kim loại đã được phát triển như một sự thay thế an toàn hơn cho ethylene glycol, nhưng thiếu hiệu quả của AFP. Nó rẻ hơn, tuy nhiên, có sẵn và sử dụng một nguyên liệu đã được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm và được FDA chấp thuận.

Mặc dù đã có nhiều thập kỷ nghiên cứu về cơ chế của các protein này, nhưng các ứng dụng trong ngành vẫn còn rất ít, với protein từ cá bĩ Bắc Cực được sử dụng trong kem để ngăn chặn sự kết tinh lại, và các hormone tăng trưởng của AFP được đưa vào cá hồi nuôi chuyển gen cho độ cứng của thời tiết lạnh và tăng trưởng. Tuy nhiên, đó là trong lĩnh vực y sinh, nơi việc sử dụng các protein này hứa hẹn nhiều phần thưởng và thách thức nhất.

Vận chuyển và cấy ghép các bộ phận cơ thể, bảo tồn cơ thể con người cho các phép lạ trong tương lai của y học (cryonics) và thực hiện phẫu thuật là tất cả những nỗ lực mà AFP có thể đóng vai trò cách mạng. Các tế bào đơn lẻ, như tinh trùng và trứng, thường xuyên được đông lạnh và lưu trữ, nhưng mô lớn hơn thì khó bảo quản hơn. AFP đã được sử dụng thành công để bảo quản tim chuột và lợn ở nhiệt độ dưới mức đóng băng. Trong một thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã loại bỏ một trái tim chuột, bảo quản nó trong nước vô trùng và AFP ở âm 1,3 độ C trong 24 giờ, sau đó cấy trái tim đã được làm ấm (không bơm) vào một con chuột mới.

Mặc dù có những thành công ban đầu và lời hứa tuyệt vời của AFP, công nghệ bảo quản nội tạng của con người vẫn thua xa nhu cầu y tế. Bộ Y tế và Dịch vụ Nhân sinh Hoa Kỳ ước tính có khoảng 21 bệnh nhân mỗi ngày chết vì chờ đợi một cơ quan không có sẵn. Phổi vẫn có thể sử dụng được trong mười hai giờ và trái tim chỉ có bốn hoặc năm, sử dụng các kỹ thuật hiện tại. Độc tính của chất bảo vệ lạnh và tác dụng gây rối của quá trình rã đông là hai trong số những vấn đề thách thức nhất. Mặc dù thủy tinh hóa là một kỹ thuật hiệu quả để đông lạnh nhanh các cơ quan đến trạng thái thủy tinh, nhưng hầu hết các kỹ thuật đều dựa vào việc bơm các tế bào chứa đầy hóa chất độc hại, và nó đang tan băng trong đó thiệt hại nghiêm trọng nhất. Sự nóng lên khác biệt gây ra sự vỡ vụn và rạn nứt của vật liệu chịu các lực đối lập. Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu của Đại học Minnesota đang nghiên cứu phương pháp sử dụng các hạt nano để làm nóng các cơ quan một cách nhẹ nhàng và đồng đều trở lại nhiệt độ sống. Các hạt nano từ tính bị kích thích hoạt động (và nhiệt) bởi sóng vô tuyến trong một quy trình mà nhóm nghiên cứu gọi là nanowarming, và kỹ thuật này đã được sử dụng thành công trên các cụm tế bào.

Các nhóm nghiên cứu khác đang tìm kiếm nơi khác trong tự nhiên để tìm các hợp chất chống đóng băng hiệu quả hơn nữa. Một là glycolipid được tìm thấy trong một con bọ cánh cứng Alaska chịu lạnh, Upis ceramboides cho phép côn trùng chịu đựng nhiệt độ âm 60 độ C và vẫn phục hồi. Hệ thống tế bào và mô của Nam Carolina đang sử dụng nó thành công trong việc bảo quản các mô trong nhiều ngày ở nhiệt độ dưới 0 mà không bị suy giảm, theo công ty. Các glycolipid xuất hiện để phủ màng tế bào, bọc nó chống lại băng bên ngoài và niêm phong nó chống lại sự hút thẩm thấu của chất lỏng từ tế bào.

Cho dù sử dụng protein hay glycolipid, hạ thấp nhiệt độ đóng băng hoặc chịu đựng được đông lạnh, tự bơm đầy chất bảo quản lạnh, tự niêm phong hoặc tự làm khô, các sinh vật tự nhiên thuộc mọi lĩnh vực đều phải sống chung với cái lạnh không phổ biến. Các nhà nghiên cứu của con người vẫn phải mở khóa hoàn toàn những bí mật này và đưa chúng vào sử dụng để bảo tồn sự sống tốt hơn.

Được xuất bản lần đầu trên Zygote hàng quý.