Белки рыб, обитающих у дна океана под большим давлением, оказались защищены молекулами триметиламиноксида. Это соединение хорошо связывает воду и не позволяет биологическим молекулам терять правильную трехмерную форму и разрушаться.
Липаровая рыба Notoliparis kermadecensis, снятая на глубине семи километров / © PNAS
Биосфера Земли простирается от многокилометровой высоты в атмосфере, где можно обнаружить лишь бактерии, до самых глубоких частей Мирового океана, населенных специфическими животными. Помимо этого, отдельные микробы освоили толщу горных пород на большом расстоянии от поверхности.
Эти жители пограничных областей биосферы вынуждены приспосабливаться к экстремальным условиям, в которых другие организмы долго не протянут. Их так и называют — экстремофилы: например, термофилы выносят очень высокую температуру, криофилы — наоборот, низкую, а барофилы, или пьезофилы, приспособлены к обитанию в условиях высокого давления.
Таковы рыбы и прочие животные, обитающие на многокилометровой глубине в океане. Их можно обнаружить даже в самой глубокой его части — в Марианской впадине, на расстоянии более 11 километров от поверхности. Это причудливые создания, которые приобрели в процессе эволюции специфические адаптации к жизни под давлением в 1,1 килобара, или свыше тысячи атмосфер. Подобные изменения затрагивают и морфологию обитателей глубин, и их поведение, и даже функционирование их белков.
Поэтому исследователи из Великобритании, авторы новой статьи в журнале Communication Chemistry, решили разобраться с адаптациями глубоководных рыб на молекулярном уровне.
Ученые отмечают, что при экстремальных значениях давления у морских жителей возникают проблемы с их биологическими молекулами. Они начинают терять стабильность, что сперва приводит к небольшой потере в объеме (компактизации молекул) — примерно на один процент. При давлении два килобара белки хуже олигомеризуются, то есть медленнее образуют состоящие из нескольких молекул агрегаты. Затем при давлении в четыре килобара белки начинают денатурировать — терять правильную трехмерную форму, определенную аминокислотной последовательностью и необходимую для их работы. В итоге во внутренние полости белковых молекул попадает все больше воды, что «не предусмотрено» в конструкции биомолекул и здорово их портит.
Чтобы уберечь свои белки от этих нежелательных процессов, барофилы синтезируют особые молекулы — пьезолиты. Это растворимые в виде соединения, способные к сжатию, такие как триметиламиноксид, или триметиламин N-оксид (ТМАО).
Молекулы TMAO окружают белки и связывают воду на их поверхности. Авторы статьи исследовали этот процесс с помощью метода нейтронного рассеяния и компьютерного моделирования молекул.
Оказалось, особенно подходящая для связывания воды структура ТМАО образует множество водородных связей благодаря своей несущей заряд части — нитрозогруппы. Это делает окружающую белки воду более упорядоченной, а ее молекулы — менее подвижными. В итоге раствор и погруженные в нее белки меньше изменяются при росте давления до экстремальных значений.
Ученые также отметили, что содержание ТМАО в тканях различных рыб тем выше, чем глубже они живут.
