Una serie di fattori di stress abiotici pone molteplici sfide alla vita marina a causa della loro diffusa influenza su tutte le classi di sistemi biochimici. Le variazioni di temperatura, pressione idrostatica e salinità hanno il potenziale per interrompere le strutture e le funzioni di tutti i sistemi molecolari da cui dipende la vita. In un articolo pubblicato su Marine Life Science &Technology , il professor Somero si concentra principalmente su una classe di effetti di stress che sfida le prestazioni di tutti i tipi di grandi sistemi molecolari:proteine, acidi nucleici e membrane lipoproteiche.

Gli effetti perturbatori di questi fattori di stress a livello biochimico spesso derivano dal loro potenziale di interrompere il sottile equilibrio necessario tra stabilità e flessibilità delle strutture di ordine superiore di questi grandi sistemi molecolari, che sono stabilizzati in gran parte da non covalenti (deboli) legami chimici come legami idrogeno, interazioni ioniche ed effetti idrofobici. È importante sottolineare che tutti i sistemi macromolecolari di una cellula devono raggiungere questo equilibrio tra flessibilità e stabilità se la fisiologia di un organismo deve funzionare in modo ottimale.

Questo equilibrio fisiologicamente importante tra stabilità e flessibilità della struttura nei grandi sistemi molecolari si ottiene in due modi principali. In primo luogo, durante l'evoluzione, le condizioni abiotiche che un organismo deve affrontare portano ad adattamenti su base genetica nelle stabilità conformazionali delle proteine ​​e di alcuni tipi di acidi nucleici e differenze nelle composizioni lipidiche. Questi adattamenti intrinseci denotano che sono codificati nel genoma dell'organismo. In secondo luogo, a complemento di questi adattamenti intrinseci e basati sulla sequenza nella struttura macromolecolare ci sono alterazioni nelle composizioni chimiche - i "contenuti micromolecolari" - delle soluzioni biologiche che bagnano le macromolecole e influenzano le loro stabilità e funzioni. Piccoli soluti organici - osmoliti organici - svolgono un ruolo centrale in queste risposte adattive. Questi adattamenti estrinseci dovuti agli osmoliti facilitano la ritenzione delle differenze evolute nella stabilità macromolecolare in diverse condizioni ambientali.

L'articolo sviluppa un'analisi parallela tra le risposte adattative a due importanti fattori di stress fisici degli oceani, la temperatura e la pressione idrostatica. Per entrambi i fattori di stress, i cambiamenti adattativi intrinseci ed estrinseci sono di vitale importanza. L'analisi si concentra sulle seguenti due domande per discutere i cambiamenti adattativi nei sistemi di osmoliti. In primo luogo, il potere stabilizzante macromolecolare del pool osmolitico intracellulare varia con la temperatura (o pressione) di adattamento evolutivo e con la recente esposizione termica (o pressione) degli organismi (effetti di acclimatazione)? In secondo luogo, nel modulare il potere stabilizzante del pool di osmoliti, i cambiamenti adattativi implicano alterazioni nei tipi di osmoliti utilizzati, cambiamenti nelle loro concentrazioni assolute o relative o una combinazione di entrambe queste strategie?

L'intervallo di tolleranza ambientale di una specie può dipendere dall'efficacia con cui la composizione osmolitica del suo fluido cellulare può essere alterata di fronte allo stress. Lo studio trae le seguenti quattro conclusioni principali:in primo luogo, nella maggior parte degli organismi marini, gli osmoliti organici possono mantenere (o ripristinare) l'equilibrio ottimale di rigidità e flessibilità macromolecolari, che è una chiave biologica per la funzione ottimale delle macromolecole. In secondo luogo, i cambiamenti adattativi nella composizione e nella concentrazione del pool di osmoliti possono avere effetti sulle macromolecole e sui sistemi di biofilm e svolgere un ruolo importante nello stabilire la tolleranza ambientale ottimale degli organismi. In terzo luogo, gli osmoliti stabilizzanti variano notevolmente nell'efficacia con cui migliorano la stabilità delle macromolecole. In quarto luogo, la capacità dei sistemi osmolitici di mettere a punto il potenziale di stabilizzazione dei fluidi cellulari di fronte ai cambiamenti di temperatura (o pressione) corporea che si verificano in periodi di tempo diversi può aiutare gli organismi a resistere agli effetti dei cambiamenti ambientali, in particolare i cambiamenti di temperatura che si verificano a causa al riscaldamento globale.

Questo articolo non solo offre ai biologi marini importanti nuove informazioni su come la vita marina si adatta ai fattori di stress abiotici del mare, ma queste indagini insegnano anche ai biochimici fisici cose critiche sulla fisica delle interazioni acqua-soluto e, per gli esperti di tecnologia, suggeriscono nuove strategie per lo sviluppo di soluzioni che aiutano nella stabilizzazione e conservazione dei materiali biologici.