Технологии тихоходок: чему нас научат эти микроскопические создания?

Тихоходки — это удивительные животные, которые могут выживать в самых экстремальных условиях, входя в состояние криптобиоза. Их способность высушивать себя, высокая радиоустойчивость, уникальной строение лапок привлекают внимание ученых, которые пытаются использовать их для создания новых технологий.

Маленькие, но удаленькие

Тихоходки — легенды интернет-пространства. Тысячи видов этих крошечных (до 1,5 миллиметра) существ обитают и в Гималаях на высоте до 6 километров, и в глубинах океана, где опускаются до 4 километров, в Арктике и Антарктике, в горячих источниках и ледяных озерах. Уже первые ученые, исследовавшие эти организмы, обратили внимание на их живучесть. Так, Ладзаро Спалланцани, который и назвал этих беспозвоночных тихоходками, описал их возвращение к жизни после криптобиоза как воскрешение из мертвых. Хотя, конечно, тихоходки в действительности не умирали.

Криптобиоз — это состояние, в котором живые существа приостанавливают свою жизнедеятельность под воздействием неблагоприятных условий — обезвоживания, замораживания, недостатка кислорода. В этом состоянии все метаболические процессы останавливаются, так что организмы могут выживать десятилетиями или даже столетиями. Тихоходки — далеко не единственные, кто так умеют. Такой фокус проворачивают, например, нематоды, а также семена и споры растений и грибов.

При неблагоприятных условиях тихоходка как бы высушивает себя, теряя до 98 % жидкости. В таком состоянии ангидриоза она становится похожа на бочонок — и может просуществовать до 30 лет при температуре минус 20 по Цельсию, выжить в жидком азоте (–195,7), провести полсуток при давлении в 7,5 гигапаскаля (это в 74 тысячи раз больше атмосферного). Механизм ангидриоза тихоходок изучали исследователи из Университета Вайоминга. Используя его, они разработали метод сохранение лекарств неограниченно долгое время без холодильника.

К слову, за исключением криптобиоза тихоходки не такие уж и живучие. Изучение их в лаборатории как раз-таки довольно сложное занятие, потому что они дохнут от недостатка кислорода или питания, а можно и вовсе раздавить их предметным стеклом микроскопа. К тому же, в криптобиоз впадают те виды, которые обитают во мхах, а вот пресноводные к такому не способны. Так что сведения едва ли не о бессмертности тихоходок сильно преувеличены, тем не менее ученые пристально изучают этих созданий — и уже сделали обнадеживающие выводы.

Ген против радиации

Одна из самых интересных способностей тихоходок — выживать даже после облучения огромной дозой радиации. Так, группу из 30–50 тихоходок подвергли воздействию гамма-излучения мощностью 1–9 тысячи грэй (в ангидротической форме) и 0,5–5 тысяч грэй в живом состоянии. Оказалось, что выживаемость при облучении 0,5–1 тысячи грэй не отличалась от контрольной группы. При этом человек без медицинской помощи с вероятностью 50 % погибнет от острой лучевой болезни, получив дозу более 15 грэй.

Приведенное выше исследование показывает, что радиационная устойчивость тихоходок определяется не защитными механизмами в стадии криптобиоза, а эффективными механизмами починки ДНК, пострадавшей от ионизирующего излучения. Этот механизм открыли ученые из Токийского университета в 2016 году. Они полностью секвенировали геном одного из самых устойчивых из тысячи видов тихоходок — Ramazzottius varieornatus. Исследователи обнаружили уникальный белок Dsup, который образует с ДНК устойчивые комплексы.

Внедрив Dsup в культуру эмбриональных почечных клеток человека, ученые облучили последние дозой 10 грэй. По сравнению с обычными клетками повреждение ДНК уменьшилось вдвое. Кроме того, оказалось, что Dsup защищает ДНК и от воздействия активных форм кислорода. Ни у одного другого организма ученые не обнаружили белка с аналогичными свойствами.

В геноме тихоходок нашли и другие гены, защищающие их от внешнего воздействия. Так, у существ целых четыре копии гена MRE11, который восстанавливает разрывы ДНК, в то время как у большинства животных лишь одна.

Используя информацию о геноме тихоходок, ученые из Сектора молекулярной генетики клетки Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) изучили, как белок Dsup повлияет на защитные свойства других организмов.

Ученые синтезировали ген, кодирующий Dsup, и ввели его в эмбрионы дрозофил, получив популяцию с нужным белком. Также модифицировали и культуру клеток почки человека. После этого плодовые мушки и человеческие клетки подверглись излучению в 500 грэй. Результаты показали увеличение радиорезистентности — а значит, белок Dsup потенциально пригоден для совершенствования других организмов.

Что это может означать на практике? Космическое излучение — одна из главных опасностей, которым подвергаются экипажи даже на околоземной орбите, не говоря уже о дальних перелетах. Это может поставить крест на экспедициях на Марс. Было бы здорово, если бы из космонавтов получилось сделать немного тихоходок (впрочем, для этого есть этические и законодательные ограничения).

Увы, пока что мы можем защитить от радиации только плодовых мушек. То же исследование ОИЯИ показало, что Dsup негативно влияет на более чем тысячу других генов в организме, в частности, связанных с функционированием нервной системы. Эти выводы подтверждены учеными из Техасского университета: исследования на крысах показали, что белок встраивается в ДНК клеток коры головного мозга, но не защищает их от радиации, а наоборот. Через 48 часов в нейронах повреждались обе цепи ДНК. Так что пока эффективного метода защиты от радиации тихоходки нам не подарили.

Если не радиация, то ультрафиолет

Индийские ученые обнаружили новый вид тихоходок, которые назвали в честь города Бангалор — вид обнаружили во мху на стене Индийского научного института. Оказалось, что они научились защищаться от ультрафиолетового излучения (чего другие виды тихоходок не умеют).

Бангалорских тихоходок облучали бактерицидной лампой с длиной волны не больше 253 нанометров. После 15 минут облучения все особи выжили и прожили еще 30 суток после эксперимента. Выживаемость после 60 минут составили 60 процентов.

Оказалось, что под воздействием ультрафиолетового излучения бангалорские тихоходки флуоресцируют. Ученые полагают, что за это ответственны специальные защитные соединения, которые преобразуют ультрафиолет в свечение. В следующем эксперименте вытяжкой из тихоходок обработали чувствительных к ультрафиолету нематод — и черви тоже стали вдвое лучше переносить излучение. Возможно, в будущем на упаковках солнцезащитных кремов будут изображать улыбающихся тихоходок.

Цепкие пальчики

Восемь лапок тихоходок имеют острые, цепкие коготки. Животным они нужны для того, чтобы цепляться за субстрат. Исследователи из Харбинского технологического института, анализируя, как прикрепляются тихоходки к частицам в воде, создали микророботов размером 20 микрон — в пять раз тоньше волоса. Внешне микроробот похож на тихоходку, его поверхность сделана по образцу клеточной мембраны эритроцита. Устройство свободно перемещается по кровеносным сосудам даже против течения и может прочно прикрепляться к стенкам сосуда — так же, как это делает тихоходка. Таким образом микророботы, в которые помещают крошечные капсулы с лекарством, могут точечно проследовать к очагу заболевания. Например, доставить токсичное вещество в прямо в раковую опухоль, а не отравлять им весь организм. Или привезти стволовые клетки к очагу инфаркта миокарда, чтобы восстановить отмершую мышечную ткань. Новый метод лечения уже испытали на кроликах.

Тихоходки и квантовая запутанность

Пожалуй, один из самых необычных экспериментов с тихоходками провела в 2021 году команда ученых-физиков из пяти стран. Они исследовали феномен квантовой запутанности.

Квантовая запутанность — это квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Например, можно получить пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии, и тогда если при измерении спина первой он оказывается положительным, то спин второй всегда оказывается отрицательным, и наоборот. Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий.

Несмотря на то, что квантовая запутанность может показаться странной и непонятной, она имеет множество практических применений, таких как квантовая криптография, квантовые вычисления и квантовая телепортация.

Явление известно только на уровне элементарных частиц, однако ученые пытаются изучить его и на больших объектах. Одним из таких объектов стала тихоходка.

Особь датской популяции тихоходок вида Ramazzottius varieornatus, которую назвали Нил Вормстронг, связали электростатическим взаимодействием с двумя кубитами в состоянии суперпозиции (это означает, что до измерения частица находится во всех возможных состояниях одновременно). На одном из кубитов находилась тихоходка — и это привело к снижению его частоты по сравнению с «пустым». Авторы работы считают, что это означает, что Нил Вормстронг пребывал в состоянии квантовой запутанности.

Впрочем, с такой интерпретацией согласны не все. Так, Дуглас Нательсон, физик из техасского Университета Райса, считает, что присутствие тихоходки вовсе не означает, что она сама побывала в квантовой запутанности (хоть и повлияла на кубит). Чтобы говорить о таком, нужно было измерить и квантовые свойства Нила Вормстронга.

Как бы там ни было, а один научный результат остается бесспорным: Нил Вормстронг стал рекордсменом по пребыванию в неблагоприятных условиях, выжив при температуре, близкой к абсолютному нулю, и давлении близком к вакууму.

Выживут только тихоходки

В 2007 году тихоходки отправились в космос на внешней стороне спутника «Фотон М3». За 10 дней они испытали все вредные воздействия космического пространства — и выжили.

Тихоходки убеждают нас в возможности существования жизни на других планетах. Дэвид Слоан и Альвес Батиста из Оксфордского университета считают, что эти беспозвоночные переживут любую космическую катастрофу — и могли бы увидеть смерть Солнца через миллиарды лет, если бы у них были глаза.

Астроном Абрахам Лоеб из Гарвардского университета полагает:

Похоже, что жизнь крайне сложно стереть с лица Земли и любой другой обитаемой планеты. История Марса показывает, что у него в прошлом была атмосфера, способная поддерживать жизнь в ее экстремальных формах. Существа с похожей стойкостью к радиации и низким температурам, похожие на тихоходок, могут существовать под поверхностью Марса или в океанах Европы и Энцелада. Поиск и открытие таких существ в этих уголках Солнечной системы помогли бы нам понять, где проходят границы жизни.