Kryptobiose – Wikipedia

Kryptobiose oder Anabiose ist ein metabolischer Lebenszustand, in den ein Organismus als Reaktion auf widrige Umweltbedingungen wie Austrocknung, Gefrieren und Sauerstoffmangel eintritt. Im kryptobiotischen Zustand stoppen alle messbaren Stoffwechselprozesse und verhindern die Reproduktion, Entwicklung und Reparatur. Wenn die Umweltbedingungen wieder gastfreundlich sind, kehrt der Organismus in seinen metabolischen Lebenszustand zurück, wie er vor der Kryptobiose war.

Anhydrobiose[edit]

Anhydrobiose ist die am besten untersuchte Form der Kryptobiose und tritt in Situationen extremer Austrocknung auf. Der Begriff Anhydrobiose stammt aus dem Griechischen für “Leben ohne Wasser” und wird am häufigsten für die Austrocknungstoleranz verwendet, die bei bestimmten wirbellosen Tieren wie bdelloiden Rotifern, Tardigraden, Salzgarnelen, Nematoden und mindestens einem Insekt, einer Chironomidenart, beobachtet wird (Polypedilum vanderplanki). Andere Lebensformen weisen jedoch eine Austrocknungstoleranz auf. Dazu gehört die Auferstehungspflanze Craterostigma plantagineum,^[1] die Mehrheit der Pflanzensamen und viele Mikroorganismen wie Bäckerhefe,^[2]. Studien haben gezeigt, dass einige anhydrobiotische Organismen im trockenen Zustand Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte überleben können.^[3]

Wirbellose Tiere, die sich einer Anhydrobiose unterziehen, ziehen sich häufig in eine kleinere Form zusammen und einige bilden einen Zucker namens Trehalose. Die Austrocknungstoleranz in Pflanzen ist mit der Produktion eines anderen Zuckers, Saccharose, verbunden. Es wird angenommen, dass diese Zucker den Organismus vor Austrocknungsschäden schützen.^[4] Bei einigen Lebewesen, wie z. B. bdelloiden Rotiferen, wurde keine Trehalose gefunden, was Wissenschaftler dazu veranlasste, andere Mechanismen der Anhydrobiose vorzuschlagen, an denen möglicherweise intrinsisch ungeordnete Proteine ​​beteiligt sind.^[5]

In 2011, Caenorhabditis elegansEs wurde gezeigt, dass ein Nematode, der auch zu den am besten untersuchten Modellorganismen gehört, im Dauer-Larven-Stadium eine Anhydrobiose durchläuft.^[6] Weitere Untersuchungen unter Nutzung der für diesen Organismus verfügbaren genetischen und biochemischen Instrumente ergaben, dass neben der Trehalosebiosynthese eine Reihe weiterer Funktionswege an der Anhydrobiose auf molekularer Ebene beteiligt sind.^[7] Dies sind hauptsächlich Abwehrmechanismen gegen reaktive Sauerstoffspezies und Xenobiotika, die Expression von Hitzeschockproteinen und intrinsisch ungeordneten Proteinen sowie die Biosynthese von mehrfach ungesättigten Fettsäuren und Polyaminen. Einige von ihnen sind unter anhydrobiotischen Pflanzen und Tieren konserviert, was darauf hindeutet, dass die anhydrobiotische Fähigkeit von einer Reihe gemeinsamer Mechanismen abhängen kann. Das detaillierte Verständnis dieser Mechanismen könnte die Modifikation nicht anhydrobiotischer Zellen, Gewebe, Organe oder sogar Organismen ermöglichen, so dass sie über lange Zeiträume in einem getrockneten Zustand suspendierter Animation aufbewahrt werden können.

Ab 2004 wird eine solche Anwendung der Anhydrobiose auf Impfstoffe angewendet. In Impfstoffen kann der Prozess a trockener Impfstoff das reaktiviert sich, sobald es in den Körper injiziert wird. Theoretisch könnte die Trockenimpfstofftechnologie für jeden Impfstoff verwendet werden, einschließlich Lebendimpfstoffen wie dem für Masern. Es könnte möglicherweise auch angepasst werden, um die langsame Freisetzung eines Impfstoffs zu ermöglichen, wodurch die Notwendigkeit von Boostern entfällt. Dies schlägt vor, die Notwendigkeit von Kühlimpfstoffen zu beseitigen und damit Trockenimpfstoffe in den Entwicklungsländern, in denen Kühlung, Elektrizität und ordnungsgemäße Lagerung weniger zugänglich sind, breiter verfügbar zu machen.^[8]

Basierend auf ähnlichen Prinzipien, Lyopreservierung wurde als Technik zur Konservierung biologischer Proben bei Umgebungstemperaturen entwickelt.^[9][10] Die Lyopreservierung ist eine biomimetische Strategie, die auf Anhydrobiose basiert, um Zellen bei Umgebungstemperaturen zu konservieren. Es wurde als alternative Technik zur Kryokonservierung untersucht. Die Technik hat den Vorteil, dass biologische Proben bei Umgebungstemperaturen aufbewahrt werden können, ohne dass gekühlt oder kryogene Temperaturen verwendet werden müssen.^[11][12]

Anoxybiose[edit]

In Situationen ohne Sauerstoff (auch bekannt als Anoxie) können viele Kryptobionten (wie z M. tardigradum) Wasser aufnehmen und prall und unbeweglich werden, aber über längere Zeiträume überleben können. Einige ektotherme Wirbeltiere und einige wirbellose Tiere, wie z. B. Salzgarnelen,^[13]Copepoden,^[14] Nematoden,^[15] und Schwamm Gemmules,^[16] sind in der Lage, unter anoxischen Bedingungen über Monate bis Jahrzehnte in einem scheinbar inaktiven Zustand zu überleben.

Studien zur Stoffwechselaktivität dieser im Leerlauf befindlichen Organismen während der Anoxie waren größtenteils nicht schlüssig. Dies liegt daran, dass es schwierig ist, sehr kleine Grade der Stoffwechselaktivität zuverlässig genug zu messen, um einen kryptobiotischen Zustand anstelle einer gewöhnlichen Depression der Stoffwechselrate (MRD) nachzuweisen. Viele Experten stehen der biologischen Machbarkeit einer Anoxybiose skeptisch gegenüber, da es dem Organismus gelingt, Schäden an seinen Zellstrukturen durch die negative freie Energie der Umwelt zu verhindern, obwohl er sowohl von viel Wasser als auch von Wärmeenergie umgeben ist und keine eigene freie Energie verbraucht . Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass das stressinduzierte Protein p26 als Protein-Chaperon wirken kann, das bei Zysten keine Energie benötigt Artemia franciscana (Seeaffen-) Embryonen und höchstwahrscheinlich ein extrem spezialisierter und langsamer Guanin-Polynukleotid-Weg liefern dem Stoffwechsel weiterhin freie Energie A. franciscana Embryonen unter anoxischen Bedingungen. Es scheint, dass A. franciscana nähert sich, erreicht aber keine echte Anoxybiose.^[17]

Chemobiose[edit]

Chemobiose ist die kryptobiotische Reaktion auf hohe Mengen an Umweltgiften. Es wurde bei Tardigraden beobachtet.^[18]

Kryobiose[edit]

Kryobiose ist eine Form der Kryptobiose, die als Reaktion auf eine verringerte Temperatur auftritt. Die Kryobiose beginnt, wenn das Wasser, das die Zellen des Organismus umgibt, gefroren ist. Wenn die Molekülmobilität gestoppt wird, kann der Organismus die Gefriertemperaturen aushalten, bis wieder gastfreundlichere Bedingungen herrschen. Organismen, die diese Bedingungen aushalten können, weisen typischerweise Moleküle auf, die das Einfrieren von Wasser an bevorzugten Orten erleichtern und gleichzeitig das Wachstum großer Eiskristalle verhindern, die andernfalls Zellen schädigen könnten.^{[citation needed]} Ein solcher Organismus ist der Hummer.^[19]

Osmobiose[edit]

Die Osmobiose ist die am wenigsten untersuchte aller Arten von Kryptobiose. Osmobiose tritt als Reaktion auf eine erhöhte Konzentration gelöster Stoffe in der Lösung auf, in der der Organismus lebt. Mit Sicherheit ist nur wenig bekannt, außer dass die Osmobiose eine Unterbrechung des Stoffwechsels zu beinhalten scheint.^[18]

Beispiele[edit]

Die Salzgarnele Artemia salina, die in den Makgadikgadi-Pfannen in Botswana zu finden sind,^[20] überlebt während der Trockenzeit, wenn das Wasser der Pfannen verdunstet und ein praktisch ausgetrocknetes Seebett zurückbleibt.

Die Tardigrade oder der Wasserbär kann alle fünf Arten von Kryptobiose erleiden. In einem kryptobiotischen Zustand reduziert sich sein Stoffwechsel auf weniger als 0,01% des Normalwerts und sein Wassergehalt kann auf 1% des Normalwerts fallen.^[21] In einem kryptobiotischen Zustand kann es extremen Temperaturen, Strahlung und Druck standhalten.^[22]

Einige Nematoden und Rotifere können auch eine Kryptobiose erleiden.^[23]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Weiterführende Literatur[edit]

• David A. Wharton, Leben an den Grenzen: Organismen in extremen Umgebungen, Cambridge University Press, 2002, gebundene Ausgabe, ISBN 0-521-78212-0