Τα χταπόδια έχουν βρει έναν απίστευτο τρόπο για να προστατεύουν τα πιο ευαίσθητα χαρακτηριστικά του νευρικού τους συστήματος από τις ριζικά μεταβαλλόμενες θερμοκρασίες.
Όταν οι συνθήκες αυξομειώνονται, μπορούν να επανακωδικοποιούν γρήγορα βασικές πρωτεΐνες στα νευρικά τους κύτταρα, εξασφαλίζοντας ότι οι κρίσιμες νευρολογικές δραστηριότητες παραμένουν λειτουργικές όταν οι θερμοκρασίες πέφτουν δραματικά.
Πώς το κάνουν αυτό; Χρησιμοποιώντας μια σπάνια υπερδύναμη – την επεξεργασία του RNA τους, μια ικανότητα που συναντάται σε ορισμένα είδη χταποδιών, καλαμαριών και σουπιών.
Είναι μια ασυνήθιστη στρατηγική, αλλά φαίνεται να είναι αποτελεσματική και οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μπορεί να υιοθετηθεί ευρέως σε όλο τον κόσμο των κεφαλόποδων.
“Γενικά πιστεύουμε ότι οι γενετικές μας πληροφορίες είναι σταθερές, αλλά το περιβάλλον μπορεί να επηρεάσει τον τρόπο κωδικοποίησης των πρωτεϊνών, και στα κεφαλόποδα αυτό συμβαίνει σε μαζική κλίμακα”, λέει ο θαλάσσιος βιολόγος Joshua Rosenthal του Θαλάσσιου Βιολογικού Εργαστηρίου του Πανεπιστημίου του Σικάγο, κύριος συγγραφέας της νέας έρευνας που δημοσιεύθηκε στο Cell.
“Η επανακωδικοποίηση του RNA δίνει στους οργανισμούς τη δυνατότητα να εκφράζουν μια ποικίλη φαρέτρα πρωτεϊνών όταν και όπου επιλέγουν. Στα κεφαλόποδα, το μεγαλύτερο μέρος της επανακωδικοποίησης αφορά πρωτεΐνες που είναι πραγματικά σημαντικές για τη λειτουργία του νευρικού συστήματος, οπότε το φυσικό ερώτημα είναι, το χρησιμοποιούν αυτό για να προσαρμοστούν στις αλλαγές του φυσικού τους περιβάλλοντος;”.
Οι δικές μας γενετικές οδηγίες για την επιβίωση μπορούν να αλλάξουν, αλλά αυτό τείνει να συμβαίνει αργά, με την τροποποίηση του DNA από γενιά σε γενιά. Οι παραλλαγές στον γενετικό κώδικα καθορίζουν το τελικό σχήμα και τη λειτουργία των μεμονωμένων πρωτεϊνών που δομούν το σώμα μας, συμπεριλαμβανομένων των συστημάτων και των δομικών στηριγμάτων στο εσωτερικό του εγκεφάλου μας.
Ωστόσο, το DNA δεν δημιουργεί άμεσα τις πρωτεΐνες. Αυτές οι χημικά κωδικοποιημένες οδηγίες παραμένουν στον πυρήνα των κυττάρων σας, εκδίδοντας πρότυπα μέσω ενός ενδιάμεσου μορίου που ονομάζεται αγγελιοφόρο RNA (ή mRNA), το οποίο ταξιδεύει από τον πυρήνα στην περιβάλλουσα γλίτσα για να τροφοδοτήσει τις μικροσκοπικές μηχανές κατασκευής πρωτεϊνών.
Στους περισσότερους οργανισμούς, αυτό είναι αρκετά απλό- μόλις εκδοθεί το πρότυπο, δεν υπάρχει άλλη αλλαγή στο RNA. Στα κεφαλόποδα, ωστόσο, τα πράγματα είναι λίγο διαφορετικά.
Το 2015, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι τα καλαμάρια, οι σουπιές και τα χταπόδια μπορούν να τροποποιήσουν το RNA αφού αυτό έχει φύγει από τον πυρήνα, κάνοντας επεξεργασία εν κινήσει, επιτρέποντας μια γρήγορη φυσιολογική αντίδραση σε … τι;
Κάποιοι επιστήμονες σκέφτηκαν ότι αυτός μπορεί να είναι ο λόγος που τα κεφαλόποδα είναι τόσο παράξενα, συναρπαστικά έξυπνα, αλλά ο λόγος γι’ αυτό μας διέφυγε και προβλημάτισε τους επιστήμονες.
Η προσαρμογή σε προσωρινές περιβαλλοντικές αλλαγές φαινόταν μια εύλογη εξήγηση. Οι θαλάσσιοι οργανισμοί υπόκεινται σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και τα χταπόδια δεν έχουν την ικανότητα ενεργού θερμορύθμισης. Η επεξεργασία RNA θα προσέφερε την ικανότητα να αλλάζει και να αλλάζει ξανά ανάλογα με τις συνθήκες, χωρίς τη μακροπρόθεσμη εφαρμογή και τη σχετική μονιμότητα της επεξεργασίας DNA.
Έτσι, με επικεφαλής τον θαλάσσιο βιολόγο Matthew Birk του Θαλάσσιου Βιολογικού Εργαστηρίου και του Πανεπιστημίου Saint Francis, μια ομάδα ερευνητών έθεσε αυτή την ιδέα σε δοκιμασία.
Τα πειραματόζωα τους ήταν χταπόδια με δύο κηλίδες της Καλιφόρνιας (Octopus bimaculoides), του οποίου ολόκληρο το γονιδίωμα αλληλουχήθηκε για πρώτη φορά το 2005, γεγονός που το καθιστά χρήσιμο ζώο για την κατανόηση των γενετικών αλλαγών.
Οι ερευνητές εγκλιμάτισαν αυτά τα χταπόδια σε ζεστό νερό στους 22 βαθμούς Κελσίου (71,6 Φαρενάιτ) ή σε πολύ πιο ψυχρό νερό στους 13 βαθμούς Κελσίου (55,4 Φαρενάιτ) και στη συνέχεια συνέκριναν τις γενετικές πληροφορίες τους με το γονιδίωμα της βάσης δεδομένων. Συγκεκριμένα εξέτασαν πάνω από 60.000 γνωστές θέσεις επεξεργασίας και αυτό που βρήκαν ήταν εκπληκτικό.
“Η ευαίσθητη στη θερμοκρασία επεξεργασία συνέβη περίπου στο ένα τρίτο των περιοχών μας – πάνω από 20.000 μεμονωμένες θέσεις – οπότε αυτό δεν είναι κάτι που συμβαίνει εδώ ή εκεί- πρόκειται για ένα παγκόσμιο φαινόμενο”, λέει ο φυσικός Eli Eisenberg του Πανεπιστημίου του Τελ Αβίβ, συν-συγγραφέας της δημοσίευσης.
“Αλλά με αυτό το δεδομένο, δεν συμβαίνει εξίσου: οι πρωτεΐνες που επεξεργάζονται τείνουν να είναι νευρικές πρωτεΐνες, και σχεδόν όλες οι θέσεις που είναι ευαίσθητες στη θερμοκρασία επεξεργάζονται περισσότερο στο κρύο”.
Έτσι, η επεξεργασία φάνηκε να γίνεται ως απάντηση στον εγκλιματισμό στο κρύο, παρά στο ζεστό νερό, επηρεάζοντας νευρικές πρωτεΐνες που, συγκεκριμένα, είναι ευαίσθητες στις χαμηλές θερμοκρασίες. Και οι δοκιμές δομικών πρωτεϊνών κρίσιμων για τη λειτουργία του νευρικού συστήματος του χταποδιού – της κινεζίνης και της συναπτοταγμίνης – διαπίστωσαν ότι οι αλλαγές που επήλθαν θα είχαν αντίκτυπο στη λειτουργία τους.
Ήταν πιθανό αυτό που παρατήρησε η ομάδα να ήταν αποτέλεσμα της παραμονής της στο εργαστήριο, γι’ αυτό έπιασαν άγρια χταπόδια της Καλιφόρνιας και χταπόδια του Verrill (Octopus bimaculatus) το Καλοκαίρι και το Χειμώνα και έλεγξαν και τα γονιδιώματά τους. Αυτά τα χταπόδια είχαν παρόμοια μοτίβα επεξεργασίας RNA που υποδηλώνουν ότι βελτιστοποιούσαν τη λειτουργία τους για τις τρέχουσες συνθήκες θερμοκρασίας.
Η ομάδα εξέτασε επίσης για να δει πόσο γρήγορα πραγματοποιούνται οι αλλαγές. Ρύθμισαν τη θερμοκρασία του ενυδρείου ενός χταποδιού από τους 14 βαθμούς Κελσίου στους 24 βαθμούς Κελσίου ή το αντίστροφο, ρυθμίζοντας τη θερμοκρασία προς τα πάνω ή προς τα κάτω κατά 0,5 βαθμούς σε διάστημα 20 ωρών. Εξέτασαν την έκταση της επεξεργασίας του RNA σε κάθε χταπόδι λίγο πριν από την έναρξη της αλλαγής της θερμοκρασίας, αμέσως μετά και τέσσερις ημέρες αργότερα.
Συμβαίνει πολύ γρήγορα, διαπίστωσαν οι ερευνητές.
“Δεν είχαμε πραγματική ιδέα πόσο γρήγορα μπορεί να συμβεί αυτό: αν χρειάζονται εβδομάδες ή ώρες”, εξηγεί ο Birk. “Μπορούσαμε να δούμε σημαντικές αλλαγές σε λιγότερο από μία ημέρα, και μέσα σε τέσσερις ημέρες, βρίσκονταν στα νέα επίπεδα σταθερής κατάστασης στα οποία τα βρίσκετε μετά από ένα μήνα”.
Τα ευρήματα αυτά υποδηλώνουν ότι τουλάχιστον μια λειτουργία της επεξεργασίας RNA των κεφαλόποδων είναι η ταχεία αντίδραση σε συνθήκες που διαφορετικά θα μπορούσαν να είναι επικίνδυνες για τα ζώα. Υπάρχουν επίσης και άλλες περιβαλλοντικές μεταβλητές που θα μπορούσαν να προκαλέσουν μια απόκριση. Σε αυτές περιλαμβάνονται το χαμηλό οξυγόνο, η ρύπανση και οι μεταβαλλόμενες κοινωνικές συνθήκες.
Οι ερευνητές υποψιάζονται ότι η επεξεργασία RNA είναι μια αρκετά διαδεδομένη στρατηγική μεταξύ των χταποδιών και των καλαμαριών για να παραμείνουν ζωντανοί καθώς το περιβάλλον τους αλλάζει, και σχεδιάζουν να διερευνήσουν πώς χρησιμοποιείται με περισσότερες λεπτομέρειες.