Жизнь на паузе: мы живём на планете спячки

Учёные обнаружили, что многие микроорганизмы и клетки находятся в состоянии глубокого сна, ожидая подходящего момента для активации. Биологи выявили белок, который способен внезапно остановить активность клетки и также быстро её восстановить.

Недавно исследователи сообщили об открытии природного белка, названного Балон, который может мгновенно прекратить производство новых белков в клетке. Белок был найден в бактериях, обитающих в арктической вечной мерзлоте, но, вероятно, он присутствует и у многих других организмов. Это открытие может пролить свет на механизмы спячки во всём живом мире.

Для большинства живых существ способность отключаться — это жизненно важное умение. В условиях нехватки пищи или холода, когда угроза внезапной гибели высока, многие организмы переходят в состояние спячки, снижая свою активность и метаболизм. Когда условия становятся благоприятными, они возвращаются к жизни. По оценкам, около 60% всех микробных клеток в любой момент времени находятся в спячке. Даже у организмов, которые в целом не впадают в спячку, некоторые клеточные популяции находятся в ожидании лучшего момента для активации.

"Мы живём на планете спячки," — сказал Сергей Мельников, эволюционный молекулярный биолог из Ньюкаслского университета. "Жизнь в основном о том, чтобы спать."

Для достижения такого состояния клетки используют так называемые "факторы спячки", белки, которые помогают индуцировать и поддерживать спящий режим. Когда клетка обнаруживает неблагоприятные условия, такие как голод или холод, она производит набор этих белков, чтобы замедлить свой метаболизм.

Одним из важнейших факторов спячки является способность остановить рибосому — клеточную машину для синтеза новых белков. Производство белков занимает более 50% энергии в растущей бактериальной клетке. Факторы спячки блокируют рибосому, предотвращая синтез новых белков и экономя энергию для поддержания базовых процессов выживания.

Ранее в этом году в журнале Nature была опубликована статья, в которой сообщается об открытии нового фактора спячки — белка Балон. Этот белок оказался крайне распространённым: его генетическая последовательность была найдена в 20% всех каталогизированных бактериальных геномов. Балон работает иначе, чем ранее известные факторы спячки, которые пассивно ждали завершения работы рибосомы. Балон, напротив, действует как экстренный тормоз, вставляя себя в каждую рибосому в клетке, даже прерывая активные рибосомы.

Исследователи Сергей Мельников и его аспирантка Карла Елена-Буэно обнаружили Балон в бактерии Psychrobacter urativorans, адаптированной к холоду и обитающей в замороженных почвах Арктики. Они изучают такие необычные микроорганизмы, чтобы понять разнообразие инструментов для синтеза белков и как рибосомы адаптируются к экстремальным условиям.

Способность к спячке может быть вызвана разными условиями, включая голод и засуху. Учёные надеются, что эти знания помогут в создании организмов, способных выдерживать более тёплые климатические условия и, следовательно, справляться с изменением климата.

Карла Елена-Буэно обнаружила Балон случайно, оставив культуру P. urativorans в ведре со льдом слишком долго, в результате чего бактерии впали в спячку. При помощи криоэлектронной микроскопии она увидела белок, заблокировавший рибосому. Этот белок получил название Балон из-за схожести с другим белком, Пелота , который важен для разборки и переработки рибосомных частей.

Балон способен остановить активность рибосомы мгновенно и, что важно, этот процесс обратим. Он может быть быстро извлечён из рибосомы, позволяя клетке быстро выйти из состояния спячки при улучшении условий.

После обнаружения Балона учёные нашли его генетические аналоги в других бактериях, таких как Mycobacterium tuberculosis и Thermus thermophilus, что подтверждает распространённость этого белка и его важность для различных бактериальных видов.

Даже у организмов, не впадающих в полную спячку, такие как млекопитающие, отдельные клеточные популяции могут входить в спящее состояние. Ооциты человека могут находиться в спячке десятилетиями, ожидая оплодотворения. Стволовые клетки костного мозга и другие клетки также могут долго оставаться в неактивном состоянии, активируясь только по мере необходимости.

"Это не уникально для бактерий или архей," — сказал Джей Леннон, эволюционный биолог из Индианского университета. "Каждый организм в дереве жизни имеет способ достижения этой стратегии. Они могут приостанавливать свой метаболизм."

Спячка — это стратегия выживания на случай глобальных катастроф. Даже в самых здоровых и быстрорастущих культурах бактерий E. coli 5-10% клеток находятся в состоянии спячки, чтобы выжить в случае неожиданной беды.

Таким образом, спячка является важной адаптацией для выживания и может помочь понять, как некоторые виды могут противостоять изменению климата. Открытие белка Балон и его распространённость в природе поможет переосмыслить важность спячки и её роль в жизни всех организмов на Земле.