Questo grafico mostra come la rete strutturale dell'acqua sia distorta ad alta pressione. Credito:Università di Leeds
Gli scienziati hanno scoperto come una sostanza chimica nelle cellule degli organismi marini consente loro di sopravvivere alle alte pressioni che si trovano negli oceani profondi.
Più in profondità vivono le creature marine, più l'ambiente con cui devono far fronte è inospitale ed estremo. In uno dei punti più profondi del Pacifico, la Fossa delle Marianne, a 11 chilometri sotto la superficie del mare, la pressione è di 1,1 kbar o otto tonnellate per pollice quadrato. Questo è un aumento di 1.100 volte della pressione sperimentata sulla superficie terrestre.
A pressione normale o atmosferica, le molecole d'acqua formano una rete simile a un tetraedro.
La rete di molecole d'acqua cambia forma
Ad alta pressione, però, la rete di molecole d'acqua inizia a distorcersi e cambiare forma. Quando ciò accade all'acqua all'interno delle cellule viventi, impedisce il verificarsi di processi biochimici vitali e uccide l'organismo.
Nel riportare le loro scoperte, i ricercatori di Leeds sono stati per la prima volta in grado di fornire una spiegazione di come una molecola trovata nelle cellule degli organismi marini contrasti l'effetto della pressione esterna sulle molecole d'acqua.
La professoressa Lorna Dougan, della School of Physics and Astronomy di Leeds, ha dichiarato:"La vita si è adattata per sopravvivere e prosperare in condizioni ambientali estreme. Nelle profondità degli oceani, gli organismi vivono sotto pressioni estremamente elevate che distruggerebbero la vita umana.
Questa grafica mostra una selezione di pesci e la profondità dell'oceano in cui vivono. Credito:Università di Leeds
"Queste alte pressioni distorcono l'acqua liquida che risiede in tutta la vita, provocando impatti dannosi per le biomolecole che sono alla base di tutti i processi biologici.
"Dobbiamo capire cosa succede all'acqua sotto pressione e come gli organismi adattati alla pressione combattono questi effetti. Se riusciamo a capire come questi organismi sopravvivono a pressioni estreme, possiamo applicare questi risultati allo studio più ampio della stabilità biomolecolare".
Trimetilammina N-ossido o TMAO
La molecola presente nelle cellule che produce l'effetto protettivo contro l'elevata pressione esterna è chiamata TMAO—trimetilammina N-ossido. Gli studi hanno dimostrato che la quantità di TMAO negli organismi oceanici aumenta in linea con la profondità del loro habitat.
Guidato dal dottor Harrison Laurent, anche lui della School of Physics and Astronomy, lo studio ha utilizzato una delle strutture analitiche più avanzate al mondo per studiare come l'intensa pressione altera i legami idrogeno tra le molecole d'acqua vicine.
Differenza di neutroni
Chiamata ISIS Neutron and Muon Source, la struttura analitica dell'STFC Rutherford Appleton Laboratory nell'Oxfordshire è stata utilizzata per sparare un raggio di neutroni, che sono particelle subatomiche, su campioni di acqua con e senza TMAO. L'analisi è stata eseguita a bassa pressione, 25 bar, e ad alta pressione, 4 kbar.
Il test ha rivelato i dettagli della struttura atomica delle molecole d'acqua.
Ad alta pressione, i legami idrogeno nel campione di acqua pura sono diventati distorti e meno stabili e la rete complessiva di molecole d'acqua si è compattata.
La presenza di TMAO, tuttavia, ha rafforzato e stabilizzato il legame idrogeno e ha mantenuto la struttura a rete delle molecole d'acqua.
Il Dr. Laurent ha affermato:"Il TMAO fornisce un ancoraggio strutturale che fa sì che l'acqua sia in grado di resistere alla pressione estrema a cui è sottoposta. I risultati sono importanti perché aiutano gli scienziati a comprendere i processi attraverso i quali gli organismi si sono adattati per sopravvivere alle condizioni estreme riscontrate negli oceani".
Dallo studio, il team di ricerca è stato anche in grado di sviluppare quello che viene chiamato "rapporto di protezione degli osmoliti", che prevede il livello di TMAO necessario nelle cellule degli organismi marini in modo che possano sopravvivere a una profondità specifica negli oceani.
Il professor Dougan ha aggiunto:"Il professor Dougan ha aggiunto:"Il nostro studio fornisce un ponte tra l'acqua sotto pressione a livello molecolare e la meravigliosa capacità degli organismi che prosperano ad alta pressione nelle profondità degli oceani.
"Ricerche pubblicate di recente hanno rivelato nuove specie che vivono sul fondo dei mari profondi. Ora stiamo capendo i notevoli adattamenti che hanno permesso alla vita di sfruttare questi habitat".
L'articolo scientifico - "La capacità della trimetilammina N-ossido di resistere alle perturbazioni indotte dalla pressione alla struttura dell'acqua" - è pubblicato sulla rivista scientifica Communications Chemistry . + Esplora ulteriormente
