Что будет с живым организмом, если полностью лишить его воды? Клетки сморщатся, белки разрушатся, и жизнь остановится. Однако некоторые существа, например, тихоходки, а также некоторые растения и грибы, способны на невероятное: они могут полностью высохнуть, впасть в спячку, а затем вернуться к жизни, когда вода снова станет доступной. Ученые давно знали об этом феномене, но не понимали, как он работает на молекулярном уровне. Ответ, как выяснилось, кроется в особых свойствах белков. Исследование опубликовали в журнале Cell Systems.
Не все белки боятся засухи
Белки — это основа жизни, они выполняют почти всю работу внутри клетки. Но они очень хрупки, и большинство из них не переносит обезвоживания — теряет свою форму и не может восстановить ее даже после возвращения воды.
Чтобы выяснить, как некоторым организмам удается пережить обезвоживание, международная группа исследователей обратилась к дрожжам — простому и хорошо изученному организму. Они провели масштабный эксперимент, изучив тысячи различных белков, чтобы понять, какие из них способны пережить цикл «сушка—оживление».
«Большинство белков теряет более трех четвертей своих копий после цикла обезвоживания и регидратации, — пояснил ведущий автор исследования Шахар Сукеник, доцент кафедры химии в Сиракузском университете (США). — Но некоторые белки справляются с этим гораздо лучше, и большая часть их копий выживает в процессе».
Используя масс-спектрометрию и искусственный интеллект, ученые выявили черты, которые отличают неуязвимые белки. Оказалось, что выжившие, как правило, были небольшими, плотно свернутыми и имели на своей поверхности много отрицательных зарядов. Именно эти заряды, по-видимому, помогают им сохранять целостность, когда вода испаряется и когда возвращается.
Чтобы проверить свою теорию, исследователи взяли белок GFP, который известен своей неустойчивостью к высыханию, и изменили его структуру в соответствии с выявленными правилами. Результат превзошел ожидания: созданная ими версия белка осталась практически полностью активной после полного обезвоживания и последующего насыщения водой.
Клеточная экономия
Исследование также показало, что выживают не просто случайные белки, а самые важные для выхода из спячки. Чаще всего это были «белки-производители», которые создают небольшие молекулы — строительные блоки для всего остального в клетке.
«Если по какой-то причине в клетке заканчиваются эти маленькие строительные блоки, то все. Клетка перестает функционировать. Это как если бы у машины закончился бензин», — привел сравнение Сукеник.
С другой стороны, белки, которые разрушались в первую очередь, были связаны с энергозатратными процессами, например, с созданием новых рибосом. Дрожжевые клетки, похоже, сознательно избавляются от таких «расточителей» в условиях засухи, чтобы сохранить драгоценные ресурсы.
«Мы считаем, что эти белки-производители эволюционировали, чтобы выработать специфический химический состав, который позволяет им восстанавливать водный баланс», — отметил Сукеник.
Лекарства без холодильника
Устойчивость к высыханию — это не удел редких «экстремалов», а свойство, которое можно «встроить» в белок на химическом уровне. Создание стабильных в сухом виде белков позволит кардинально продлить срок годности лекарств, вакцин и продуктов питания, а также избавит от необходимости хранить их в холодильнике.
«Во время пандемии COVID-19 возникали проблемы с доставкой вакцин, что затрудняло доступ к ним, — отметил Сукеник. — Но если ваш продукт обезвожен, вам не нужно будет хранить его в холоде. Срок годности может быть продлен на месяцы или даже годы».
Таким образом, понимание того, как белки переживают засуху, не только раскрывает секреты выживания тихоходок, но и открывает фантастические возможности для биотехнологий.