Kriogenizacja zwierząt: premiera u muszki drozofila

Zespół czeskich naukowców częściowo zamroził larwy tropikalnej muszki drozofila, a następnie przywrócił je do życia. Aby tego dokonać, potrzebne są dwa kluczowe składniki. Jedzenie wzbogacone proliną oraz okres aklimatyzacji do zimna. Doświadczenia czeskich badaczy zostały przedstawione w naukowym przeglądzie PNAS.

Poza podróżami kosmicznymi, cały świat medyczny będzie mógł skorzystać z doświadczeń tego eksperymentu.

W czasie zamarzania, woda tworzy kryształki, które mogą spowodować uszkodzenia wewnątrz komórek organizmu, ponieważ zwiększa się jej objętość z powodu przemieniania w lód. Gatunki zwierzęce przystosowały się do tego problemu: potrafią one, na przykład, produkować i odkładać substancję przeciw zamarzaniu, której jednym z głównych czynników jest glicerol.

Glicerol jest zresztą używany laboratoriach jako kriokonserwant, który ma chronić komórki żyjące przed zamarznięciem. Gąsienica ćmy żyjącej na nawłoci może opierać się temperturom tak niskim jak -38 °C, bez zamarzania.

Inne gatunki produkują proteinę przeciwko zamarzaniu, która utwierdza się na powstających kryształach lodu, nie pozwalając im w ten sposób na powiększenie rozmiarów. Zwierzę zawiera więc lód w swoim organizmie, ale lód ten nie powoduje szkód.

W przeciwieństwie do tego, co moglibyśmy uważać, lista orgnizmów odpornych na lód nie jest długa. Wszystkie mechanizmy, które wchodzą tutaj w grę, nie zostatły do końca poznane. A to oznacza, że mogą one być bardzo kompleksowe.

W tym kontekście, badacze z akademii nauki w Czechach, którymi kierował Vladimir Kostal, doprowadzili do częściowego zamrożenie larw muszki drosophila – Drosophila melanogaster – do minus pięciu stopni Celsjusza. Następnie, naukowcy przywrócili ponownie te larwy do życia.

Po takiej kriogenizacji, larwy w dalszym ciągu kontynuowały swój rozwój. Co więcej, zrodziło się z nich potomstwo zdolne do przeżycia.

Przeżyć kąpiel w ciekłym azocie

Muszka drozofila jest insektem tropikalnym albo subtropikalnym, wrażliwym na zimno. Niedojrzałe organizmy przestają się rozwijać w temperaturze poniżej 10 stopni Celsjusza. Uszkodzenia pojawiają się w temperaturze poniżej 6 stopni Celsjusza. A zwierzę umiera w temperaturze poniżej - 5 stopni Celsjusza. A więc, jak doszło do tego, że larwy przeżyły zamrożenie?

Chymomyza costata jest innym gatunkiem muszki żyjącym na Arktyce. Jest ona zdolna do przeżycia w ciekłym azocie. Wyczyn znaczący, albowiem temperatura ciekłego azotu wynosi -196 stopni Celsjusza. Ta cecha charakterystyczna tego gatunku muszki jest związana z tym, iż w jej tkankach gromadzi się jeden z aminokwasów, L-prolina.

Zanim więc larwy Drosophila melanogaster zostały zamrożone, naukowcy karmili je bądź normalnym jedzeniem, bądź wzbogaconym proliną, bądź wzbogaconym proliną i glicerolem. Następnie, stworzenia te zostały podzielone na dwie grupy: pierwsza została zamrożona poczynając od temperatury 15 stopni Celsjusza. Druga grupa przeszła przez okres aklimatyzacji w ciemni, w temperaturach oscylujących między 6 -11 stopni Celsjusza, co miało na celu uśpienie larw.

Larwy te następnie zostały zamrożone w temperaturze minus 5 stopni Celsjusza, przez 75 minut, tak jak inne larwy. Następnie, stopniowo temperaturę podnoszono do plus osiemnastu stopni Celsjusza. Przeprowadzone pomiary pokazały, że około 50% wody zawartej w organizmach muszek przeszło w formę krystaliczną w czasie doświadczenia.

Cudowne rozwiązanie: prolina

Żadna larwa poddana normalnej diecie i bez aklimatyzacji nie przeżyła. Samo uśpienie larw zwiększyło poziom przeżycia o 6%. Dieta wzbogacona w prolinę, ale bez aklimatyzacji, pozwoliła na przeżycie larw w 23%. Co lepsze, około 61% larw w uśpieniu i karmionych proliną, powróciło do życia. Dziewięć procent z nich kontynuowało swój rozwój aż do stadium dorosłego.

Dodanie glicerolu z kolei nie zmieniło rezultatów. Prolina ma więc być właśnie tym kluczowym czynnikiem, skutecznym agentem kriozachowawczym, a przynajmniej dla muszek. Autorzy badania przywołują trzy fakty: prolina łatwo przenika przez tkanki, zależy od specyficznych enzymów i jej akumulacja nie powoduje problemów osmotycznych.

Progresywna aklimatyzacja do zimna oraz jedzenie wzbogacone w prolinę zdają się być dwoma ważnymi warunkami, które zapewniają przeżycie w procesie kriokonserwacji.

Na pewno na podstawie tych doświadczeń można opracować różnego rodzaju aplikacje medyczne, przede wszystkim, jak zastanawiają się już głośno badacze, możne zastanowić się nad technikami pozwalającymi przedłużyć życie organów pobranych do przeszczepu. Być może również w przyszłości uda się wprowadzić człowieka w stan hibernacji, aby w ten sposób pozwolić mu na przebycie długich podróży kosmicznych. Kto wie...