Ir zināms, ka atūdeņošanās ir bīstama cilvēka un citu radību dzīvībai un izsauc nāvi. Tomēr daļai Zemi apdzīvojošo būtņu - baktērijas, raugi, augu sēklas, daži vēžveidīgie, nematodes u.c. - ir izveidojusies spēja saglabāt dzīvotspēju pēc liela ūdens zuduma (Clegg, 2001). Atūdeņošanās jeb dehidratācijas rezultātā šie dzīvnieki un augi nonāk anhidrobiozes (atgriezeniski apstādināta vai palēnināta metabolisma) stāvoklī. Īpašu zinātnieku interesi izraisa fakts, ka anhidrobiozē esošiem organismiem raksturīga pastiprināta izturība pret nelabvēlīgiem apstākļiem, piemēram, ļoti zemu temperatūru, radioaktīvo starojumu, lielu spiedienu u.c. Novērots, ka atūdeņoti mikroorganismi saglabā dzīvotspēju gadiem ilgi (Beķers, 1974). Neskatoties uz anhidrobiontu (dzīvnieku, kas spēj nonākt anhidrobiozē) attālo radniecību, izturību pret dehidratāciju tajos nodrošina līdzīgi mehānismi.

Sākums

Ūdens ir vide, kurā notiek visi šūnas dzīvības procesi. Tā kā ūdens īpašības nosaka dzīvo organismu uzbūves principus, atūdeņošanās izsauc būtiskas izmaiņas šūnu struktūrā un šūnā notiekošajos procesos. Pirmkārt, šūnas satur 65 – 80% ūdens, tādēļ ūdens zudums izraisa šūnas tilpuma būtisku samazināšanos. Šūnas sastāvā ietilpstošās molekulas zaudē tās aptverošo ūdens apvalku (t.s. hidratācijas apvalku).  Kad ūdens saturs sasniedz 10% no šūnas svara, regulējami metabolisma procesi praktiski pārtraucas (Clegg 2001). Ciešā šūnas molekulu novietojuma dēļ kļūst iespējamas haotiskas ķīmiskas reakcijas (piemēram, kondensācija starp proteīnu lizīna un metionīna atlikumiem un reducējošajiem cukuriem), kā rezultātā šīs molekulas var nespēt pildīt paredzētās funkcijas pēc šūnas atgriešanās aktīvā stāvoklī  (Potts 1994). Molekulu tuvā novietojuma dēļ pastiprināti notiek brīvo radikāļu difūzija un šūnas komponentu (nukleīnskābju, proteīnu, lipīdu u.c.) oksidācija (Espindola et al. 2003).
Dehidratētās šūnās notiek proteīnu denaturācija, jo proteīnu konformāciju nosaka ūdens mijiedarbība ar aminoskābju atlikumiem. Daļa proteīnu denaturējas neatgriezeniski un nespēj atgūt dabisko telpisko struktūru pēc ūdens pievienošanas, piemēram, enzīmi fosfofruktokināze un laktāta dehidrogenāze, kam ir svarīga loma šūnas metabolisma norisēs (Crowe 2002).

Atūdeņošanās sekmē mutāciju rašanos šūnas ģenētiskajā materiālā. DNS bojājumus izraisa alkilēšanās un oksidācijas reakcijas, purīna bāžu atšķelšanās un šķērstiltiņu veidošanās starp DNS un proteīniem (Potts 1994). Gaisa klātbūtnē žāvētās raugu šūnās mutāciju frekvence bija 25 reizes lielāka nekā slāpekļa atmosfērā dehidratētās šūnās. Turklāt novērots, ka mutācijas pārsvarā rodas pēc tam, kad šūnas zaudē pie molekulām saistīto ūdeni (Hieda 1982). Atūdeņotās šūnās nedarbojas DNS bojājumu reparācijas mehānismi, tādēļ mutācijas uzkrājas. DNS bojājumu labošana šūnās notiek rehidratācijas jeb normāla ūdens satura atjaunošanās laikā, kad proteīni atgūst funkciju veikšanai nepieciešamo konformāciju.
Šūnas citoplazmatiskās membrānas integritāte ir priekšnoteikums dzīvotspējas saglabāšanai pēc atūdeņošanas, tādēļ lielākā daļa pētījumu, kas veikti ar anhidrobiontiem, ir saistīti ar membrānu izmaiņu izpēti. Iegūtie rezultāti rāda, ka atūdeņotās šūnās membrānu veidojošie lipīdi atrodas citā fizikālā stāvoklī (gēla fāzē) kā šūnās ar normālu ūdens daudzumu, kurās membrānas lipīdi ir tā saucamajā šķidri kristāliskajā fāzē (Crowe et. al. 1984). Tādējādi šūnās notiek divas fāzu pārejas – atūdeņošanas laikā no šķidri kristāliskā stāvokļa uz gēla stāvokli, savukārt pēc ūdens pievienošanas pretējā virzienā. Membrānu veido dažādi lipīdi, kas ir izvietoti nevienmērīgi, tādēļ blakusesošas membrānas daļas var atrasties atšķirīgā fizikālā stāvoklī. Šajās vietās rehidratācijas laikā  var veidoties pārrāvumi membrānās, un šūna var aiziet bojā vielu zuduma rezultātā (Leslie et. al. 1994). Pārrāvumi šūnas organoīdu membrānās var izraisīt, piemēram, hidrolītisko enzīmu izplūšanu no lizosomām un tai sekojošu šūnas bojāeju (Rapoport and Beker, 1978).
Lai šūna spētu atjaunot normālas dzīvības funkcijas pēc ūdens pievienošanas, ir nepieciešams vai nu novērst dehidratācijas izraisīto izmaiņu rašanos, aktivējot aizsardzības mehānismus, sākoties atūdeņošanai, vai arī neitralizēt radušos bojājumus pēc funkcionālās aktivitātes atgūšanas.

Sākums

Ir konstatēts, ka visu anhidrobiontu šūnām raksturīga kopīga īpašība – cukuru vai citu daudzas hidroksilgrupas saturošu savienojumu uzkrāšanās. Mikroorganismos, dzīvnieku un zemāko augu šūnās uzkrājas disaharīds trehaloze (Yancey et. al. 1982). Augstākajos augos izturību pret atūdeņošanu nodrošina saharoze (Alpert 2000). Raugos novērota glicerola uzkrāšanās (Walker 1998). Trehalozes būtisko nozīmi šūnu dzīvotspējas saglabāšanā pēc atūdeņošanas apstiprina De Castro un kolēģu eksperimenti. Pirms dehidratācijas pret atūdeņošanu neizturīgām baktērijām pievienoja trehalozi. Pēc atūdeņošanas baktērijas, kas tika apstrādātas ar trehalozi, saglabāja augstāku dzīvotspēju nekā kontroles baktērijas (De Castro et. al. 2000).
Tiek uzskatīts, ka trehaloze un tai līdzīgi savienojumi saglabā anhidrobiotisko organismu dzīvotspēju. “Ūdens aizvietošanas” hipotēze apgalvo, ka, ja šūnā ir pietiekams daudzums, piemēram, trehalozes, tās polāri lādētās hidroksilgrupas darbojas kā ūdens molekulu aizvietotāji, veidojot ūdeņraža saites ar šūnas molekulām, un nodrošina aktīvām šūnām raksturīgu vielu telpisko struktūru (Crowe 2002). Polihidroksilsavienojumu iedarbības rezultātā dehidratētās šūnās nenotiek proteīnu denaturācija (Allison et. al. 1999) un pārrāvumu veidošanās membrānās (Crowe 2002).
Trehalozes saistīšanās ar membrānas veidojošajiem lipīdiem pazemina temperatūru, kurā notiek pāreja no lipīdu šķidrās kristāliskās uz gēla fāzi raugos no +60 oC uz +40 oC (Leslie et al. 1994). Rehidratējot šādas šūnas temperatūrā virs +40 oC, membrānās nenotiek fāzu pāreja un nerodas fāzu pārejas radītie bojājumi. Lai atūdeņotās membrānās neveidotos pārrāvumi, nepieciešama trehalozes saistīšanās ar lipīdiem abās membrānas dubultslāņa pusēs. Raugos Saccharomyces cerevisiae īpašs trehalozes pārnesējs transportē citosolā sintezēto trehalozi uz ārvidi. Rauga celmi, kam nav šī pārnesēja, bija neizturīgi pret dehidratāciju, kaut arī tajos uzkrājās iekššūnas trehaloze (Eleutherio et. al. 1993).

Sākums

Anhidrobiontu šūnās uzkrātie cukuri ierobežo molekulu kustīgumu atūdeņotās šūnās un samazina degradējošu reakciju iespējamību. Izžuvušās šūnās notiek šūnas tilpuma samazināšanās sakarā ar ūdens zudumu. Tādējādi molekulas nonāk ciešā saskarē un kļūst iespējama dažādu savstarpēju reakciju norise, kas var atstāt negatīvu iespaidu uz šūnas dzīvotspēju pēc nonākšanas normālos apstākļos.
Cukuru uzkrāšana palīdz novērst šo “ciešās sapakošanas” efektu. Visi ogļhidrāti ūdens zuduma apstākļos nonāk tā sauktajā stiklveida stāvoklī. Šajā stāvoklī cukuriem piemīt palielināta viskozitāte un samazināts molekulu kustīgums (Crowe 2002). Katram ogļhidrātu veidam ir raksturīga temperatūra, kurā notiek pāreja uz stiklveida stāvokli. Trehalozei un saharozei pārejas temperatūra ir salīdzinoši augsta, ap +20 – +30 oC (Roos and Karel 1991), tādēļ atūdeņotās šūnās minētie cukuri atrodas stiklveida stāvoklī. Uzskata, ka anhidrobionti uzkrāj tieši trehalozi un saharozi, nevis citus cukurus to augstās pārejas temperatūras dēļ. Tā kā šūnās trehaloze un saharoze ir ievērojamā daudzumā, šie ogļhidrāti aptver citus šūnas komponentus un palielinātās viskozitātes dēļ samazina molekulu difūzijas ātrumu, ierobežojot degradējošas reakcijas (Wolfe and Bryant 1999).

Sākums

Atūdeņotās šūnās notiek pastiprināta brīvo radikāļu veidošanās, kas oksidatīvi bojā šūnas molekulas – izraisa šķērstiltiņu veidošanos starp proteīniem, lipīdu peroksidāciju, DNS bāžu modifikāciju u.c. (Potts 1994) Aizsardzību pret oksidatīvajiem bojājumiem šūnās nodrošina gan brīvos radikāļus neitralizējoši enzīmi (superoksīda dismutāze, katalāze, peroksidāze), gan molekulāri antioksidanti (glutations, tioredoksīns, C un E vitamīns). Enzimātiskie antioksidanti ir aktīvi dehidratācijas posmā, kad ūdens daudzums vēl ir pietiekams enzimātisku reakciju norisei, savukārt atūdeņotās šūnās galvenā nozīme ir molekulārajiem antioksidantiem (Hoekstra et al. 2001).
Novērots, ka raugu šūnās, kuras nespēj sintezēt glutationu, šūnas molekulu oksidācijas pakāpe bija divreiz lielāka nekā glutationu sintezējošās šūnās (Espindola et al. 2003). Šajā eksperimentā glutationu nesintezējošo šūnu izdzīvotība pēc atūdeņošanas bija divreiz mazāka nekā kontroles šūnām. Redzams, ka šūnas dzīvotspēja ir tieši proporcionāla šūnas komponentu oksidācijas pakāpei, tādēļ anitoksidantu darbība ir nepieciešama šūnu dzīvotspējas saglabāšanai.
Enzimātisko anitoksidantu nozīmi oksidatīvo bojājumu novēršanā pierāda eksperimenti ar rauga šūnām, kurās dažādi ekspresējas superoksīda dismutāzes (SOD) gēni. Raugi ekspresē divu veidu superoksīda dismutāzes: Cu/Zn SOD citoplazmā un Mn SOD mitohondrijos. Cu/Zn SOD gēna pastiprināta ekspresija palielināja šūnu izturību pret atūdeņošanu piecas reizes, bet šūnu, kas pastiprināti ekspresēja abas SOD kodējošos gēnus, dzīvotspēja palielinājās astoņas reizes salīdzinājumā ar raugu šūnām, kurās SOD ekspresija bija normāla (Pereira et al. 2003).
Nav vienota viedokļa jautājumā, vai trehaloze nodrošina aizsardzību pret oksidatīvajiem bojājumiem. Daļa zinātnieku uzskata, ka ka stiklveida stāvoklī esošā trehaloze ierobežo brīvo radikāļu difūziju šūnā, tādēļ notiek mazāk brīvo radikāļu izraisīto oksidatīvo reakciju (Wolfe and Bryant 1999). Šo pieņēmumu apstiprina novērojums, ka trehalozes pievienošana dehidratācijas videi uzlabo šūnu dzīvotspēju pēc atūdeņošanas un samazina šūnas komponentu oksidācijas pakāpi (Pereira et al. 2003). Turpretī Pereira un kolēģi (Pereira et al. 2001) novēroja, ka trehalozes-6-fosfāta sintāzi, kas nepieciešama trehalozes sintēzei, kodējošā gēna delēcija neietekmē rauga šūnu izturību pret oksidatīvo stresu. 

Sākums

Izmantojot mehānismus, kas nodrošina anhidrobiotisko šūnu izturību pret dehidratāciju, iespējams uzglabāt atūdeņotā stāvoklī bioloģisko materiālu, sākot ar zāles saturošām liposomām un beidzot ar zīdītāju šūnām. Piemēram, zīdītāju šūnu atūdeņošana trehalozi saturošā vidē paaugstina to dzīvotspēju, uzglabājot vakuumā atūdeņotā stāvoklī (Chen et al. 2001). Izsaucot trehalozes sintēzi baktēriju šūnās, iespējams uzglabāt atūdeņotā stāvoklī pret dehidratāciju neizturīgas baktērijas (De Castro et al. 2000). Daudzas hidroksilgrupas saturošu vielu, piemēram, laktozes, mannitola un glicerola, pievienošana proteīniem palīdz saglabāt to enzimātisko aktivitāti un samazina proteīnu agregāciju, oksidāciju un deamidāciju (Singh and Singh 2003). Izžāvēti bioloģiskie produkti aizņem mazāk vietas un ir vieglāk pārvadājami, nekā sasaldētā stāvoklī, tādēļ paredzams, ka uzglabāšana atūdeņotā stāvoklī kļūs arvien izplatītāka.

Sākums

Anhidrobionti jeb organismi, kas spēj saglabāt dzīvotspēju pēc atūdeņošanas, izmanto vairākus aizsardzības mehānismus, lai novērstu ūdens zuduma radītos bojājumus. Visiem anhidrobiontiem ir raksturīga poliolu (daudzas hidroksilgrupas saturošu vielu) uzkrāšanās. Pārsvarā tie ir cukuri trehaloze un saharoze, kuru funkcijas ietver šūnu veidojošo molekulu konformācijas saglabāšanu dehidratētās šūnās un degradējošu reakciju novēršanu, samazinot molekulu kustīgumu. Atūdeņotās šūnās pastiprināti notiek oksidatīvās reakcijas, tādēļ šūnu izdzīvotībai nepieciešama dažādu antioksidantu, kā superoksīda dismutāžu un glutationa, darbība. Pieminēto aizsardzības mehānismu funkcija ir saglabāt šūnas molekulas un struktūru dzīvības funkciju veikšanai atbilstošā stāvoklī. Straujā genomikas un proteomikas attīstība padara iespējamu visu atūdeņošanas inducēto gēnu un proteīnu noteikšanu, tādēļ, iespējams,  nākotnē tiks atklāti citi veidi, kā šūnās notiek pielāgošanās dehidratācijai.

Sākums

Allison, S. D., Chang, B., Randolph, T. W., Carpenter, J. F. 1999. Hydrogen bonding between sugar and protein is responsible for inhibition of dehydration-induced protein unfolding. Arch. Biochem. Biophys. 365: 289-298.
Alpert, P. 2000. The discovery, scope, and puzzle of desiccation tolerance in plants. Plant Ecol. 151: 5-17.
Beķers, M. 1974. Ievads biotehnoloģijā. Rīga: Zvaigzne, 212 lpp.
Chen, T., Acker, J. P., Eroglu, A., Cheley, S., Bayley, H., Fowler, A. and Toner, M. 2001. Beneficial effect of intracellular trehalose on the membrane integrity of dried mammalian cells. Cryobiology 43 (2): 168-181.
Clegg, J. S. 2001. Cryptobiosis – a peculiar state of biological organisation. Comp. Biochem. Physiol. B 128: 613-624.
Crowe, J. H., Crowe, L. M., Chapman, D. 1984. Preservation of membranes in anhydrobiotic organisms: the role of trehalose. Science 223: 701-703
Crowe, L. M. 2002. Lessons from nature: the role of sugars in anhydrobiosis. Comp. Biochem. Physiol. A 131: 505-513
De Castro, A. G., Bredholt, H., Strom, A. R., Tunnacliffe, A. 2000. Anhydrobiotic engineering of gram-negative bacteria. Appl. Env. Microbiol. 66 (9): 4142-4144.
Espindola, A. E., Gomes D. S., Panek A. D., Eleutherio E. C. 2003. The role of glutathione in yeast dehydration tolerance. Cryobiology 47 (3): 236-241
Hieda, K. 1982. Oxygen-induced genetic changes in dry yeast cells. J. Bacteriol. 150 (2): 963 – 965.
Hoekstra, F. A., Golovina, E. A., Buitink, J. 2001. Mechanisms of plant desiccation tolerance. Trends Plant Sci. 6 (9): 431-438.
Leslie, S. B., Teter, S. A., Crowe, L. M., Crowe, J. H. 1994. Trehalose lowers membrane phase transitions in dry yeast cells. Biochim. Biophys. Acta. 1192 (1): 7-13.
Pereira, M. D., Eleutherio, E. C., Panek, A. D. 2001. Acquisition of tolerance against oxidative damage in Saccharomyces cerevisiae. BMC Microbiol. 1: 11.
Pereira.E. J., Panek, A. D., Eleutherio, E. C. 2003. Cell Stress & Chaperones 8 (2): 120 –124.
Potts, M. 1994. Dessication tolerance of prokaryotes. Microbiol. Rev. 58 (4): 755-805.
Rapoport, A. I. and Beker, M. E. 1978. Increase in intracellular acid posphatase activity in dehydrated Saccharomyces cerevisiae yeasts. Mikrobiologiia 47: 170-172.
Roos, Y. and Karel, M. 1991. Water and molecular weight effects on glass transitions in amorphous carbohydrates and carbohydrate solutions. Journal of Food Science 56: 1676-1681.
Singh, S. And Singh, J. 2003. Efect of plyols on the conformational stability and biological activity of a model protein lysozyme. AAPS Pharm. Sci. Tech. 4 (3): art. 42.
Walker, G. M. 1998. Yeast Physiology and Biotechnology. Pp. 362. John Wiley & sons, London.
Wolfe, J. and Bryant, G. 1999. Freezing, drying and/or vitrification of membrane solute water systems. Cryobiology 39: 103-129
Yancey, P. H., Clark, M. E., Hand, S. C., Bowlus, R. D., Somero, G. 1982. Living with water stress: evolution of osmolytes systems. Science 217: 1214-1222.

Sākums