Вчені досліджують клітини антарктичних риб, щоб побачити, як вони виживають у майже крижаній воді

Антарктичні риби проводять все своє життя в холодній воді, щоб розвинути стільникову технологію до меж. Однак, незважаючи на це, їх клітини працюють.

Тепер вчені вперше дослідили клітини антарктичних риб при температурах, близьких до замерзання, і виявили деякі дивовижні адаптації.

Життя на межі замерзання

У майже замерзаючій воді життя має припинитися. Хімічні реакції сповільнюються, білки намагаються скласти правильну форму, а механізми в клітинах повинні працювати проти самої фізики.

Проте все життя антарктичні риби проводять у воді з температурою близько 0°С. Вони ростуть, полюють і розмножуються в умовах, які піддають більшості тварин помірного клімату надзвичайному стресу. Отже, що відбувається всередині їхніх клітин?

Вчені вперше отримали зображення з високою роздільною здатністю внутрішньої роботи клітин живих антарктичних риб при температурах, близьких до природних температур тварин.

Дослідники з Британської антарктичної служби та Кембриджського університету виявили клітини, які можуть вирощувати антарктичних колючих риб. Гарпагіфер антарктичнийі досліджував їх за допомогою спеціально модифікованого мікроскопа, який може працювати близько температури замерзання, не нагріваючи клітини за межі нормального діапазону температур.

Те, що вони побачили, було камерою, створеною для надзвичайно важкого життя. Риба наповнила свої клітини більшою кількістю мітохондрій, багато з яких розташовані у довгих взаємопов’язаних мережах, а незвичайні структури для переробки відходів згруповані навколо ядра. Разом ці функції вказують на одну з прихованих витрат, пов’язаних з переживанням сильних холодів: виробництво достатньої кількості енергії під час роботи з білками, які більш схильні до помилок.

Класні зразки

Команда виростила клітини з маленьких шматочків риб’ячої шкіри та плавників при 2°C, а потім порівняла їх з клітинами людини. Ліпофриз ФоллісРиба помірного клімату, що зустрічається в Британії. Дослідники також створили культури тканин яєчників і ембріонів, створивши нову експериментальну систему для вивчення антарктичних риб на клітинному рівні.

Сам мікроскоп розвинувся на основі мікроскопічної системи 2025 року, розробленої членами тієї ж команди. Ці зміни зберігають адаптовані до холоду зразки близькі до їх нормальної температури без зниження роздільної здатності, необхідної для перегляду структур всередині живих клітин.

Попередня робота вже натякала на проблеми, які постають перед дослідниками. Порівняння двох видів риб у 2024 році показало, що при 3°C синтез тканинного білка в антарктичних риб був значно нижчим, ніж у шанні. Холод перешкоджає молекулярним процесам, необхідним для створення білків, і делікатному процесу, за допомогою якого ланцюжки амінокислот згортаються у функціональні форми.

Франческа ван Тартвійк, клітинний біолог з BAS і Кембриджу, яка керувала дослідженнями, сказала в заяві Британської антарктичної служби, що «неправильно згорнутий білок у кращому випадку марний, але насправді може бути шкідливим, тому цим адаптованим до холоду клітинам потрібні способи боротьби з ним».

Різні рослини

Нові зображення показують, як можуть виглядати деякі з цих доріг.

Клітини-грабіжки мали значно більше мітохондріального матеріалу, ніж фіктивні клітини. У клітинах шкіри багато мітохондрій були надзвичайно довгими та розгалуженими, створюючи те, що дослідники назвали мережею «гіперфузії». Автори припускають, що це може компенсувати енергетичні проблеми життя в умовах сильного холоду або допомогти захистити функцію мітохондрій, хоча ці пояснення не були підтверджені.

У той же час навколо ядра дослідники виявили збільшені тіла кислот, які беруть участь у травленні клітин. Найбільшими можуть бути аутолізосоми, структури, які допомагають розщеплювати пошкоджені компоненти. Їх збільшення може відображати повільне травлення клітин на холоді, велике навантаження неправильно згорнутих білків або те й інше.

Але клітини були не просто повільними. Мітохондрії в антарктичних рибах рухалися приблизно з тією ж швидкістю, що й у помірних видів. Статистично вони були трохи швидшими, але ефект був настільки незначним, що автори попереджають, що він може мати біологічне значення.

Дорога спеціальність

Антарктичні тварини відомі повільним ростом і розвитком. Отримані дані свідчать про те, що цей ритм усього тіла не можна пояснити, припускаючи, що все в їхніх клітинах працює повільно.

Робота також може мати наслідки за межами полярної біології.

Однією з головних проблем, з якою стикаються ці клітини, є неправильне згортання білка. Щоб білки функціонували належним чином, потрібно згортати їх у точні форми, а сильний холод може порушити процеси їх виробництва та згортання. Антарктичні риби можуть компенсувати, принаймні частково, модифікувавши свій клітинний механізм для виробництва енергії та видалення пошкоджених матеріалів.

Така ж основна проблема виникає при захворюваннях людини. При таких захворюваннях, як хвороба Альцгеймера та Паркінсона, неправильно згорнуті білки можуть накопичуватися та пошкоджувати клітини. Дослідники не припускають, що антарктична риба має ліки, але її клітини можуть стати порівняльною моделлю для вивчення того, як живі системи справляються з постійним стресом білкового шару.

Отримані дані можуть також допомогти вченим зрозуміти, чому тварини, які чудово пристосовані до холоду, часто страждають від потепління. Попередні експерименти на антарктичних рибах виявили верхні температурні межі для риб із тепліших вод, хоча деякі види можуть підвищити свою термостійкість після акліматизації.

Тепер постає питання, де починаються ці обмеження. Їх частково можна знайти всередині клітин, у системах обробки білка та енергетичних системах, які спеціалізуються на екстремальних холодах. Або вони можуть відбуватися на рівні всієї тварини через такі системи, як кровообіг і транспорт кисню.

Нові експерименти ще не можуть розрізнити ці можливості. Але врешті-решт вони дають дослідникам можливість побачити живі клітини в Антарктиді, а не робити висновок про їх поведінку на основі фіксованої тканини чи цілих тварин. Це може не тільки показати, як життя так добре пристосоване до біляльодових морів, але також і те, чого ці адаптації можуть навчити нас про клітинні стресові фактори — і де вони можуть збитися з нагріванням планети.

Препринт дослідження доступний bioRxiv.