Een reeks abiotische stressoren vormen meerdere uitdagingen voor het leven in zee vanwege hun wijdverbreide invloed op alle klassen van biochemische systemen. Variaties in temperatuur, hydrostatische druk en zoutgehalte kunnen structuren en functies verstoren van alle moleculaire systemen waarvan het leven afhankelijk is. In een artikel gepubliceerd in Marine Life Science &Technology , Professor Somero richt zich grotendeels op één klasse van stressoreffecten die de prestaties van alle soorten grote moleculaire systemen uitdagen:eiwitten, nucleïnezuren en lipoproteïnemembranen.

De storende effecten van deze stressoren op biochemisch niveau zijn vaak het gevolg van hun potentieel om het fijne evenwicht te verstoren dat nodig is tussen stabiliteit en flexibiliteit van de hogere-orde structuren van deze grote moleculaire systemen, die grotendeels worden gestabiliseerd door niet-covalente (zwakke) chemische bindingen zoals waterstofbruggen, ionische interacties en hydrofobe effecten. Belangrijk is dat alle macromoleculaire systemen van een cel dit evenwicht tussen flexibiliteit en stabiliteit moeten vinden om de fysiologie van een organisme optimaal te laten functioneren.

Deze fysiologisch belangrijke balans tussen stabiliteit en flexibiliteit van structuur in grote moleculaire systemen wordt op twee belangrijke manieren bereikt. Ten eerste leiden de abiotische omstandigheden waarmee een organisme wordt geconfronteerd tijdens de evolutie tot genetisch gebaseerde aanpassingen in de conformationele stabiliteit van eiwitten en bepaalde soorten nucleïnezuren, en verschillen in lipidesamenstellingen. Deze intrinsieke aanpassingen geven aan dat ze zijn gecodeerd in het genoom van het organisme. Ten tweede, als aanvulling op deze intrinsieke, op sequentie gebaseerde aanpassingen in de macromoleculaire structuur, zijn veranderingen in de chemische samenstellingen - de "micromoleculaire inhoud" - van biologische oplossingen die macromoleculen baden en hun stabiliteit en functies beïnvloeden. Kleine organische opgeloste stoffen - organische osmolyten - spelen een centrale rol in deze adaptieve reacties. Deze extrinsieke aanpassingen als gevolg van osmolyten vergemakkelijken het behoud van de ontwikkelde verschillen in macromoleculaire stabiliteit onder verschillende omgevingsomstandigheden.

Het artikel ontwikkelt een parallelle analyse tussen adaptieve reacties op twee belangrijke fysieke stressoren van de oceanen, temperatuur en hydrostatische druk. Voor beide stressoren zijn intrinsieke en extrinsieke adaptieve veranderingen van vitaal belang. De analyse richt zich op de volgende twee vragen om de adaptieve veranderingen in osmolytsystemen te bespreken. Ten eerste, varieert het macromoleculaire stabiliserende vermogen van de intracellulaire osmolytenpool met de evolutionaire aanpassingstemperatuur (of druk) en met de recente thermische (of druk) blootstelling van de organismen (acclimatisatie-effecten)? Ten tweede, hebben adaptieve veranderingen bij het moduleren van het stabiliserende vermogen van de osmolytenpool betrekking op veranderingen in de soorten osmolyten die worden gebruikt, veranderingen in hun absolute of relatieve concentraties, of een combinatie van beide strategieën?

Het bereik van de omgevingstolerantie van een soort kan afhangen van hoe effectief de osmolytsamenstelling van zijn celvloeistof kan worden veranderd in het licht van stress. De studie trekt de volgende vier hoofdconclusies:Ten eerste kunnen organische osmolyten in de meeste mariene organismen de optimale balans tussen macromoleculaire stijfheid en flexibiliteit behouden (of herstellen), wat een biologische sleutel is tot de optimale functie van macromoleculen. Ten tweede kunnen adaptieve veranderingen in de samenstelling en concentratie van de osmolytenpool effecten hebben op macromoleculen en biofilmsystemen en een belangrijke rol spelen bij het vaststellen van de optimale omgevingstolerantie van organismen. Ten derde variëren stabiliserende osmolyten sterk in hoe effectief ze de stabiliteit van macromoleculen verbeteren. Ten vierde kan het vermogen van osmolytensystemen om het stabilisatiepotentieel van cellulaire vloeistoffen te verfijnen in het licht van veranderingen in lichaamstemperatuur (of druk) die zich voordoen over verschillende tijdsperioden, organismen helpen de effecten van omgevingsveranderingen te weerstaan, met name de veranderingen in temperatuur die optreden als gevolg van op de opwarming van de aarde.

Dit artikel biedt niet alleen mariene biologen belangrijke nieuwe informatie over hoe het leven in zee zich aanpast aan de abiotische stressfactoren van de zee, maar deze onderzoeken leren ook fysische biochemici kritische dingen over de fysica van interacties tussen water en opgeloste stoffen en suggereren, voor technologisch ingestelde mensen, nieuwe strategieën voor het ontwikkelen van oplossingen die helpen bij de stabilisatie en conservering van biologische materialen.