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水熊蟲缺水生存大法:變玻璃

2017/3/20 — 21:09

俗稱水熊蟲的緩步動物門 (tardigrades) 近年被喻為「地上最強」的動物,自然有其過人之處:能在 151℃ 高溫、接近絕對零度的 -272.8℃ 、缺水、太空、超高幅射下都能進入休眠狀態不死,而且還相當可愛。

不過要注意的是,地上最強不等於與其他厭氧、嗜酸、嗜熱的嗜極生物 (extremophiles) 一樣,可在極端環境下生長、繁殖;水熊蟲熊只是抵受極端環境能力較高,並不喜歡在最極端環境生活——牠們要等待環境回復正常後才會「起死回生」。

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Anyway, 水熊蟲的超人能力究竟從何而來呢?這個問題一直困擾科學家。

1948 年意大利動物學家 Tina Franceschi 曾發現,水熊蟲在博物館乾苔蘚樣本中經歷 120 年休眠期後,接觸水份「復活」。可是,其他學者未能重復到長達 120 年水熊蟲休眠試驗。現有已驗証最長的水熊蟲因乾旱而休眠年期是在 1995 年創下,時間長達八年 [1] 但仍與 Franceschi 的紀錄有相當距離 。

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Youtube 截圖

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2015 年 Thomas Boothby 的團隊發現 [2] 其中一種水熊蟲 Hypsibius dujardini ,有高達 1/6 基因並不屬於自身。相比起其他生物最多只有 1% 基因屬外來生物,這比例明顯過高,團隊認為 Hypsibius dujardini 通過「水平基因轉移 (horizontal gene transfer, HGT) 」,儲起外來基因做出具功能性的蛋白質,以適應、抵禦極端環境。可以說水熊蟲就如 Lego 積木一樣,去到哪裡都有能力吸收周邊基因,「砌」到自己體內。不過,後來多個學者指研究有問題 [3] Hypsibius dujardini 體內無這麼多因水平基因轉移出現的外來基因,研究結果只是因為樣本被沾污所致。

雖然, HGT 之說未必正確,但 Thomas Boothby 團隊的研究方向或許是對的:水熊蟲基因會控制體內大量「穩定構型蛋白質 (intrinsically disordered proteins, IDP) 」製造。這些無明顯立體構造的蛋白質從來都無人知道其在細胞中的實際作用為何,而團隊發現水熊蟲在脫水時 IDP 會令自身細胞變成玻璃狀 [4] ,保護當中 DNA 以及其生命。

圖左為正常狀態下的水熊蟲;右邊則是缺水下的水熊蟲
via Wikipedia

圖左為正常狀態下的水熊蟲;右邊則是缺水下的水熊蟲
via Wikipedia

一直以來,很多學者都認為海藻糖 (trehalose) 是水熊蟲能極度抗旱的原因。然而,水熊蟲體內的海藻糖只佔體重 2% ,對比線蟲、豐年蝦等抗旱生物,海藻糖/體重比例達 20% 相差甚遠。

團隊首先干擾製造 IDP 的基因,發現水熊蟲在脫水後的生存率顯著下跌,証明這些基因對水熊蟲在缺水環境下生存非常關鍵;此後團隊再將 IDP 基因殖入細菌與酵母中,這些生物的耐旱性立即提升最多一百倍。

團隊指, IDP 與海藻糖耐旱機制相似。 IDP 會令水熊蟲細胞「玻璃化 (vitrification) 」,但與正常晶體化會粉碎 DNA 及蛋白不一樣, IDP 玻璃化作用來得較為溫和,保護水熊蟲渡過困境。

這或許對人類也是個好消息。現時的疫苗在運輸期間需要冷藏,難以儲存之餘成本也相當高。如果能將 IDP 加入疫苗之中,運輸疫苗乾劑的成本與儲存空間將會大大降低。水熊蟲果然人見人愛呢!

參考:
Wired, The Secret of the Crazy-Tough Water Bear, Finally Revealed, 16 March 2017
Nautilus, Live Tiny, Die Never: Behold the Toughest Animal on Earth, 17 March 2017

研究:

  1. Sømme, L. & Meier, T. (1995). Cold tolerance in Tardigrada from Dronning Maud Land, Antarctica. Polar Biology Polar Biol (1995) 15: 221. doi:10.1007/BF00239062
  2. Boothby, T.C., Tenlen, J.R., Smith, F.W. & et al. (2015). Evidence for extensive horizontal gene transfer from the draft genome of a tardigrade. PNAS vol 122(52), 15976-15981. doi: 10.1073/pnas.1510461112
  3. Koutsovoulos, G., Kumar, S., Laetsch, D.R. & et al. (2016). No evidence for extensive horizontal gene transfer in the genome of the tardigrade Hypsibius dujardini. PNAS Vol 113(18), 5053–5058. doi: 10.1073/pnas.1600338113
  4. Boothby, T.C., Tapia, H., Brozena, A.H. & et al. (2017). Tardigrades Use Intrinsically Disordered Proteins to Survive Desiccation. Molecular Cell vol 65(6), p975-984.e5, 16 March 2017. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.molcel.2017.02.018

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