Wetenschappers hebben ontdekt hoe een chemische stof in de cellen van mariene organismen hen in staat stelt de hoge druk in de diepe oceanen te overleven.

Hoe dieper zeedieren leven, hoe onherbergzamer en extremer de omgeving waar ze mee te maken hebben. Op een van de diepste punten in de Stille Oceaan - de Marianentrog, 11 kilometer onder het zeeoppervlak - is de druk 1,1 kbar of acht ton per vierkante inch. Dat is een 1.100-voudige toename van de druk die aan het aardoppervlak wordt ervaren.

Onder normale of atmosferische druk vormen watermoleculen een tetraëderachtig netwerk.

Netwerk van watermoleculen verandert van vorm

Bij hoge druk begint het netwerk van watermoleculen echter te vervormen en van vorm te veranderen. Wanneer dit gebeurt met het water in levende cellen, verhindert het dat vitale biochemische processen plaatsvinden - en doodt het het organisme.

Door hun bevindingen te rapporteren, hebben de onderzoekers in Leeds voor het eerst kunnen verklaren hoe een molecuul dat in de cellen van mariene organismen wordt aangetroffen, het effect van externe druk op de watermoleculen tegengaat.

Professor Lorna Dougan, van de School of Physics and Astronomy in Leeds, zei:"Het leven heeft zich aangepast om te overleven en te gedijen in extreme omgevingen. In de diepten van de oceanen leven organismen onder extreem hoge druk die het menselijk leven zou vernietigen.

"Deze hoge drukken vervormen het vloeibare water dat in al het leven aanwezig is, wat resulteert in schadelijke effecten op de biomoleculen die ten grondslag liggen aan alle biologische processen.

"We moeten begrijpen wat er met water onder druk gebeurt en hoe aan druk aangepaste organismen deze effecten bestrijden. Als we kunnen begrijpen hoe deze organismen overleven onder extreme druk, kunnen we deze bevindingen toepassen op de bredere studie van biomoleculaire stabiliteit."

Trimethylamine N-oxide of TMAO

Het molecuul dat in cellen wordt aangetroffen en dat het beschermende effect tegen hoge externe druk produceert, wordt TMAO genoemd - trimethylamine N-oxide. Studies hebben aangetoond dat de hoeveelheid TMAO in oceaanbewonende organismen toeneemt met de diepte van hun leefgebied.

Onder leiding van Dr. Harrison Laurent, ook van de School of Physics and Astronomy, gebruikte de studie een van de meest geavanceerde analytische faciliteiten ter wereld om te onderzoeken hoe intense druk de waterstofbruggen tussen naburige watermoleculen verandert.

Neutronenverstrooiing

De analytische faciliteit in het STFC Rutherford Appleton Laboratory in Oxfordshire, de ISIS Neutron en Muon Source genoemd, werd gebruikt om een ​​straal neutronen - dit zijn subatomaire deeltjes - af te vuren op watermonsters met en zonder TMAO. De analyse werd gedaan bij lage druk, 25 bar, en bij hoge druk, 4 kbar.

De test onthulde details van de atomaire structuur van de watermoleculen.

Bij hoge druk werden de waterstofbruggen in het zuivere watermonster vervormd en minder stabiel en werd het totale netwerk van watermoleculen verdicht.

De aanwezigheid van TMAO versterkte en stabiliseerde echter de waterstofbinding en handhaafde de netwerkstructuur van de watermoleculen.

Dr. Laurent zei:"De TMAO biedt een structureel anker waardoor het water bestand is tegen de extreme druk waaronder het staat. De bevindingen zijn belangrijk omdat ze wetenschappers helpen de processen te begrijpen waarmee organismen zich hebben aangepast om de extreme omstandigheden te overleven die worden gevonden in de oceanen."

Uit de studie is het onderzoeksteam ook in staat geweest om een ​​zogenaamde "osmolyte-beschermingsratio" te ontwikkelen, die het niveau van TMAO voorspelt dat nodig is in de cellen van mariene organismen, zodat ze op een specifieke diepte in de oceanen kunnen overleven.

Professor Dougan voegde toe:"Professor Dougan voegde toe:"Onze studie vormt een brug tussen water onder druk op moleculair niveau en het wonderbaarlijke vermogen van organismen die gedijen onder hoge druk in de diepten van de oceanen.

"Recent gepubliceerd onderzoek heeft nieuwe soorten aan het licht gebracht die op de bodem van de diepe zeeën leven. We begrijpen nu de opmerkelijke aanpassingen die het leven mogelijk hebben gemaakt om deze habitats te exploiteren."

Het wetenschappelijke artikel - "Het vermogen van trimethylamine N-oxide om weerstand te bieden aan door druk veroorzaakte verstoringen van de waterstructuur" - is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Communications Chemistry . + Verder verkennen

De rol van oplosmiddelen bij extreme druk