Vì sao bạch tuộc ở Nam Cực không bị đóng băng ở nhiệt độ siêu lạnh?

‘Máy bơm protein’ trong tế bào bạch tuộc ở Nam Cực hoạt động tốt hơn ở -1,8 °C so với đồng loại ở ôn đới.

Đó có thể là lý do giúp bạch tuộc ở Nam Cực không bị đóng băng ở nhiệt độ siêu lạnh.

Bạch tuộc Nam Cực sống ở vùng nước lạnh nhất thế giới, nơi nhiệt độ thường xuyên giảm xuống dưới nhiệt độ nước đóng băng. Làm thế nào những sinh vật ‘máu lạnh’ này có thể sống sót trong điều kiện khắc nghiệt như vậy vẫn còn là bí ẩn.

Những con bạch tuộc kỳ lạ thuộc chi Pareledone gần đây được phát hiện sử dụng ba trái tim của chúng để bơm một loại máu xanh đặc biệt đi khắp cơ thể, cung cấp oxy cho các mô ngay cả trong môi trường siêu lạnh như Nam Cực.

Theo nghiên cứu do Phòng thí nghiệm sinh học biển ở Mỹ thực hiện, bạch tuộc thuộc chi Pareledone tương tự như nhiều loài khác sống ở vùng nước lạnh vĩnh cửu, dường như cũng có enzyme ‘thích nghi với thời tiết lạnh’.

Những protein như vậy đóng một vai trò quan trọng trong một loạt phản ứng sinh hóa. Ở bạch tuộc Nam Cực, tính linh hoạt độc đáo nêu trên cho phép chúng hoạt động ngay cả ở nhiệt độ thấp hơn, trong khi enzyme từ bạch tuộc ôn đới hơn hoạt động chậm lại 25% khi đối mặt với các điều kiện khắc nghiệt tương tự.

Các enzyme hòa tan – giống như các enzyme phân hủy thức ăn trong ruột của chúng ta – có thể thích ứng dễ dàng với các nhiệt độ khác nhau phát sinh trong từng phản ứng cụ thể mà chúng tham gia. Nhưng không phải tất cả các enzyme trong cơ thể đều có khả năng linh hoạt như vậy. Một số được đưa vào màng tế bào, nơi ‘điều kiện làm việc’ khắc nghiệt hơn nhiều.

Những ‘máy bơm’ hoặc kênh protein này mang các ion quan trọng vào và ra khỏi tế bào, tạo ra các “gradient” cho phép truyền năng lượng. Vậy làm thế nào những enzym đặc biệt này có thể đối phó với cái lạnh ở Nam Cực?

Các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm sinh học biển, Đại học Puerto Rico và Viện rối loạn thần kinh và đột quỵ quốc gia Mỹ đã quyết định tìm hiểu chi tiết.

Họ đã tạo ra hai mô hình: một mô hình dựa trên enzyme bơm natri-kali được tìm thấy ở bạch tuộc thuộc chi Pareledone ở Nam Cực và mô hình kia dựa trên cùng cơ chế bơm được tìm thấy ở tim bạch tuộc hai điểm (Octopus bimaculatus) – một loài ôn đới.

Các nhà nghiên cứu đã chọn enzyme này vì nó thải ba ion natri và hấp thụ hai ion kali chỉ bằng một phân tử adenosine triphosphate (ATP), đây là nguồn năng lượng của tế bào. Sự trao đổi này rất cần thiết cho tính dễ bị kích thích của tế bào và sự vận chuyển các chất hòa tan.

Các tác giả giải thích: “Vì tầm quan trọng trung tâm của nó, việc trao đổi natri-kali cần được lựa chọn kỹ càng để hoạt động hiệu quả trong các môi trường nhiệt khác nhau”.

Đúng như những gì mà nhóm nghiên cứu hoài nghi, “máy bơm protein” trong tế bào bạch tuộc ở Nam Cực hoạt động tốt hơn ở -1,8 °C so với đồng loại ở ôn đới. Nói cách khác, về bản chất nó ít nhạy cảm hơn với cái lạnh.

Các khối xây dựng, hay các axit amin, hình thành nên “máy bơm protein” trong tế bào của bạch tuộc ở Nam Cực hơi khác so với các khối tương ứng ở đồng loại bạch tuộc ôn đới.

Tổng cộng, các nhà nghiên cứu đã đếm được 12 vị trí lạ trên chuỗi axit amin (với bạch tuộc ở Nam Cực) nơi một đột biến dường như mang lại khả năng chống lạnh.

Bằng cách thêm từng đột biến này vào mô hình, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng ba đột biến cụ thể phối hợp với nhau để cung cấp phần lớn khả năng chống lạnh của “máy bơm protein” trong tế bào bạch tuộc.

Hơn nữa, hầu hết các đột biến này đều nằm ở vị trí tiếp giáp giữa “máy bơm protein” trong tế bào và phần còn lại của màng tế bào.

Một đột biến ở vị trí L314V có tác động lớn nhất. Không có nó, “máy bơm protein” trong tế bào không còn hoạt động ở nhiệt độ gần mốc đóng băng nữa.

Các nhà nghiên cứu sẽ cần nghiên cứu sâu hơn về các chi tiết đằng sau đột biến này, nhưng có thể loại axit amin khác nhau ở vị trí cụ thể này bằng cách nào đó giúp “máy bơm protein” trong tế bào có thêm không gian hoạt động trong màng tế bào.

Nhà sinh lý học Miguel Holmgren từ Viện Rối loạn Thần kinh và Đột quỵ Quốc gia Mỹ không ngạc nhiên khi ranh giới giữa protein và màng tế bào lại là nơi thích ứng như vậy vì đó là điều mà các nhà nghiên cứu đã phỏng đoán từ trước.

Các tác giả hiện hy vọng có thể tiến hành thêm các thí nghiệm về cách thức “máy bơm protein” trong tế bào của bạch tuộc ở Nam Cực giữ cho tế bào hoạt động ở nhiệt độ lạnh giá.