Sứa lược đã thích nghi với cuộc sống dưới đáy đại dương như thế nào?

STNN - Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu màng tế bào của loài ctenophores (sứa lược) và nhận thấy chúng có cấu trúc lipid độc đáo cho phép chúng sống dưới áp lực cao.

• Nuôi lồng đại dương mang đến tiềm năng mới cho các vùng ven biển của Ấn Độ

Đáy đại dương là một môi trường không thân thiện với đa số các loài: không có ánh sáng; nhiệt độ lạnh cóng; và áp lực của tất cả nước phía trên sẽ nghiền nát bạn theo đúng nghĩa đen. Các động vật sống ở độ sâu này đã phát triển khả năng thích nghi sinh lý cho phép chúng tồn tại trong những điều kiện khắc nghiệt này. Những sự thích nghi này là gì và chúng phát triển như thế nào?

Itay Budin, Trợ lý Giáo sư Hóa học và Hóa sinh của Đại học California San Diego đã hợp tác với các nhà nghiên cứu trên khắp đất nước để nghiên cứu màng tế bào của loài sứa lược và nhận thấy chúng có cấu trúc lipid độc đáo cho phép chúng sống dưới áp lực lớn.

Thích ứng với môi trường

Điều đầu tiên: Mặc dù sứa lược trông giống sứa nhưng chúng không có quan hệ họ hàng gần gũi. Sứa lược bao gồm ngành Ctenophora. Chúng là loài săn mồi có thể phát triển to bằng quả bóng chuyền và sống ở các đại dương trên khắp thế giới và ở nhiều độ sâu khác nhau, từ bề mặt cho đến biển sâu.

Màng tế bào có các lớp lipid và protein mỏng cần duy trì một số đặc tính nhất định để tế bào hoạt động bình thường. Mặc dù người ta đã biết trong nhiều thập kỷ rằng một số sinh vật đã điều chỉnh lipid của chúng để duy trì tính lưu động trong điều kiện cực lạnh - được gọi là thích nghi đẳng nhớt (homeoviscous adaptation - là sự thích nghi của thành phần lipid màng tế bào để giữ tính lỏng của màng ở mức cân bằng. Tính lỏng của màng là yếu tố quan trọng cho nhiều chức năng tế bào, bao gồm vận chuyển chất qua màng, hoạt động enzyme và tín hiệu tế bào) - nhưng người ta vẫn chưa biết làm thế nào các sinh vật sống ở vùng biển sâu thích nghi với áp suất cực cao, cũng như liệu sự thích nghi với áp suất có phù hợp hay không?

Ông Budin đã nghiên cứu sự thích nghi của vi khuẩn nội môi ở vi khuẩn E. coli, nhưng khi Steven Haddock, nhà khoa học cấp cao tại Viện Nghiên cứu Thủy cung Vịnh Monterey (MBARI), hỏi liệu sứa lược có khả năng thích nghi giống như vi khuẩn nội môi để bù đắp cho áp suất cực lớn hay không, Budin đã rất tò mò.

Các sinh vật phức tạp có nhiều loại lipid khác nhau. Con người có hàng ngàn tế bào như vậy? Chúng cũng có hình dạng khác nhau: một số có hình trụ và một số có hình nón.

Để trả lời liệu sứa lược có thích nghi với lạnh và áp suất thông qua cùng một cơ chế hay không, nhóm nghiên cứu cần kiểm soát biến đổi nhiệt độ. Jacob Winnikoff, tác giả chính của nghiên cứu, người từng làm việc tại cả MBARI và UC San Diego, đã phân tích các tế bào của loài này được thu thập từ khắp bán cầu bắc, bao gồm cả những loài sống dưới đáy đại dương ở California (lạnh, áp suất cao) và những loài từ bề mặt đại dương, Bắc Băng Dương (lạnh, áp suất không cao).

Budin cho biết: “Hóa ra loài sứa thạch đã phát triển các cấu trúc lipid độc đáo để bù đắp cho áp lực mạnh và tách biệt với cấu trức để chịu cái lạnh khắc nghiệt. Áp lực thực sự là thứ giữ màng tế bào của chúng lại với nhau."

Các nhà nghiên cứu gọi sự thích nghi này là “độ cong nội môi” (homeocurvature) vì hình dạng tạo thành đường cong của lipid đã thích nghi với môi trường sống độc đáo của sứa lược. Ở vùng biển sâu, lipid hình nón đã phát triển thành hình nón quá mức. Áp lực của đại dương chống lại sự cường điệu nên hình dạng lipid là bình thường, nhưng chỉ ở những áp suất cực lớn này. Khi các loài sứa lược ở biển sâu được đưa lên bề mặt, hình dạng hình nón phóng đại trở lại, các màng tách ra.

Tương lai của nền y học

Các phân tử có hình nón quá mức là một loại phospholipid được gọi là plasmalogens. Plasmalogens có rất nhiều trong não người và mức độ phong phú ngày càng giảm của chúng thường đi kèm với sự suy giảm chức năng não và thậm chí là bệnh thoái hóa thần kinh như bệnh Alzheimer. Điều này khiến chúng rất thú vị đối với các nhà khoa học và nhà nghiên cứu y học.

Budin cho biết: “Một trong những lý do chúng tôi chọn nghiên cứu ctenophores là vì quá trình chuyển hóa lipid của chúng tương tự như con người. Và mặc dù tôi không ngạc nhiên khi tìm thấy plasmogens nhưng tôi đã bị sốc khi thấy chúng chiếm tới 3/4 lượng lipid của ctenophore ở biển sâu."

Để kiểm tra thêm phát hiện này, nhóm nghiên cứu đã quay trở lại E. coli, tiến hành hai thí nghiệm trong buồng áp suất cao: một thí nghiệm với vi khuẩn không biến đổi và thí nghiệm thứ hai với vi khuẩn đã được biến đổi sinh học để tổng hợp plasmalogens. Trong khi chủng (E. coli) không biến đổi đã chết thì chủng E. coli chứa plasmalogens lại phát triển mạnh.

Những thí nghiệm này được thực hiện trong nhiều năm và với sự cộng tác của nhiều tổ chức và ngành học. Tại UC San Diego, ngoài Budin, nhóm của ông đã tiến hành các thí nghiệm lý sinh và vi sinh, phòng thí nghiệm của Giáo sư Hóa học và Hóa sinh nổi tiếng Edward Dennis đã tiến hành phân tích lipid bằng phép đo phổ khối. Các nhà sinh học biển tại MBARI đã thu thập ctenophores để nghiên cứu, trong khi các nhà vật lý tại Đại học Delaware chạy mô phỏng máy tính để xác nhận hành vi của màng ở các áp suất khác nhau.

Budin, người quan tâm đến việc nghiên cứu cách các tế bào điều chỉnh việc sản xuất lipid, hy vọng phát hiện này sẽ dẫn đến những nghiên cứu sâu hơn về vai trò của plasmalogens đối với sức khỏe và bệnh tật của não.

Ông nói: “Tôi nghĩ rằng nghiên cứu cho thấy plasmalogens có những đặc tính sinh lý thực sự độc đáo. Vì vậy, bây giờ câu hỏi là, những đặc tính đó quan trọng như thế nào đối với chức năng của các tế bào của chúng ta? Tôi nghĩ đó là một thông điệp đáng ghi nhớ.

Nghiên cứu này được hỗ trợ thông qua các khoản tài trợ của Quỹ Khoa học Quốc gia, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia, Viện Y tế Quốc gia, Văn phòng Nghiên cứu Hải quân và Quỹ David và Lucile Packard.

Thạch Lược (Theo Sciencedaily)