超级计算机揭秘“忍者”缓步动物

在脱水或极端温度等环境压力下，缓步动物会蜷缩起来以缩小表面积，新陈代谢几乎停止。图片来源：STEVE GSCHMEISSNER

缓步动物是一种微小的八足动物，也被称为水熊虫，是已知的适应性最强的动物。它们生活在世界各地的苔藓中，这使它们拥有另一个名字——苔藓小猪。

近日，科学家第一次从原子层面对其如何在极端压力下生存进行了研究，相关成果发表于《科学报告》。

在脱水或极端温度等环境压力下，缓步动物会进入“隐生状态”，它们蜷缩起来以缩小表面积，形成所谓的“tun”状态，新陈代谢几乎停止。在这种状态下，它们可以在无水的情况下生存几十年，忍受高剂量的伽马射线和X射线辐射，并能在-272℃~150℃的温度下生存。此外，它们还在太空的真空中轻松度过了10天。

在其他大多数生物体中，这类环境压力会破坏细胞中的DNA，但缓步动物有一种损伤抑制蛋白（Dsup），能以某种方式保护DNA。西班牙马德里植物生物技术和基因组学中心Marina Minguez-Toral团队对Dsup和DNA之间的相互作用进行了模拟，并作出了解释。

该团队模拟了一个由两个Dsup分子和DNA组成的系统，该系统由超过75万个原子组成，需要在超级计算机上“日复一日”地运行。“每个原子的运动方程必须被求解5000万次才能得到持续100纳秒的模拟。”Minguez-Toral说。

研究人员表示，模拟系统中蛋白质所有原子及其静电的相互作用表明，Dsup蛋白质“本质上是无序的”，而且高度灵活，这使得它能够调整其结构以精确适应DNA的形状。

Minguez-Toral表示，正负电荷吸引下的静电效应决定了Dsup在与DNA相互作用时结构变化的动力学。“我们相信这种电屏蔽对保护DNA免受辐射影响是至关重要的。”

明确缓步动物如何忍受极端环境非常有用。“目前我们正在积极研究相关原理在稳定药物和抗逆性作物上的作用。”美国怀俄明大学Thomas Boothby说。

其他可能的应用包括癌症治疗以及未来技术应用。Boothby说，下一阶段将改造其他生物体中的所有细胞，蛔虫和果蝇似乎是很好的候选体。

然而，Minguez-Toral和同事Luis Pacios指出，目前尚不明确Dsup进化的原因，在开始考虑改造整个生物体细胞之前，需要先弄清这一点。