Czy da się wrócić do życia z zera bezwzględnego?
Nikt nie ma wątpliwości, że zamrożenie człowieka z nadzieją, że po powrocie do normalnej temperatury ożyje, ma niewielki sens. Jednak postępujemy tak z bakteriami w laboratoriach, by przechować je przez długi czas niezmienione. Czy jeśli całkowicie zamrozimy komórki bakterii, tak, że ustaną w nich wszelkie procesy metaboliczne to znaczy, że je zabiliśmy? A jeśli tak, to jak wracają one do życia?
Zero bezwzględne lub inaczej zero absolutne to temperatura maksymalnie uporządkowanego układu, w którym ustały wszelkie ruchy i drgania cząsteczek. Wynosi ona -273,15°C co równa się temperaturze 0 K. Fizycy prześcigają się w próbach stworzenia układu o temperaturze jak najbardziej zbliżonej do tej wartości, jednak nigdy nikomu nie udało się fizycznie uzyskać zera absolutnego. Wielu naukowców uważa, że jest niemożliwe, by układ osiągnął zero absolutne. Nie znamy więc takiego układu, a co za tym idzie organizmów, które osiągały taką temperatur. Bez wątpienia istnieją jednak mikroby wracające do życia z bardzo niskich temperatur.
Zamrażanie mikroorganizmów to dość powszechny sposób na ich przechowywanie w laboratorium mikrobiologicznym. Stanowi ono jednak potencjalne niebezpieczeństwo dla wielu mikrobów. Woda występująca w komórkach w dużych ilościach, zwykle stanowi około od 65 do 95% ich masy. Zamrożenie wody skutkuje zahamowaniem dyfuzji, a w konsekwencji procesów metabolicznych. Można powiedzieć, że zatrzymuje się zegar biologiczny i samo życie. Życie, które kojarzy się głównie z ruchem i reakcjami biochemicznymi. Główne niebezpieczeństwo nie wynika jednak z samego zatrzymania tych procesów. Poddawanie komórek niskim temperaturom może prowadzić do ich uszkodzeń i śmierci spowodowanej tworzącymi się kryształkami lodu. Te powodują uszkodzenia mechaniczne i chemiczne w komórce. Uszkodzenia mogą, ale nie muszą jednak wystąpić. Wiele zależy od szybkości obniżania temperatury pożywki oraz samych komórek.
Wśród mikroorganizmów istnieje wiele takich, które są w stanie przetrwać bardzo niskie temperatury w naturalnym środowisku. W naturze nie są jednak podawane tak niskim temperaturom jak za sprawą mikrobiologów. Samo zamrażanie wykorzystywane jest w biotechnologii w celu przechowywania materiału biologicznego – komórek. Robi się to w celu bezpiecznego przechowania, a zarazem zachowania przeżywalności bakterii. Dodatkowo taka metoda pozwala na przechowywanie ich bez zmian genetycznych, które najprawdopodobniej pojawiły by się podczas długotrwałej hodowli na pożywkach wraz z kolejnymi pokoleniami bakterii.
Jedną z metod zabezpieczania komórek jest zamrażanie ich w ciekłym azocie. Bakterie narażone są wtedy na temperaturę -196°C. Czas w jakim mogą być przechowywane, przy tej metodzie, tak by zachować przeżywalność i nie zostać uszkodzone, zależy od szczepu i stanu bakterii. Zwykle jednak umożliwia to przechowywanie ich przez kilkanaście lub nawet więcej lat. Przechowywanymi w ten sposób bakteriami mogą być przykładowo szczepy Thermus, które po powrocie do swojej optymalnej temperatury rozwijają się i rosną prawidłowo. Co ciekawe szczepy Thermus są termofilami, a więc naturalnie bytują w wysokich temperaturach, a ich optimum wynosi od 55 do 85°C. W celu zachowania komórek traktowanych ciekłym azotem w dobrym stanie stosuje się krioprotektanty. Zwykle są to dimetylosulfotlenek lub glicerol. Dzięki tym substancjom podczas zamarzania powstaje znacznie mniej kryształków lodu, które mogłyby uszkodzić komórki oraz same komórki tracą mniej wody. W przypadku szczepu Thermus stosuje się najczęściej podłoża zawierające od 10-15% glicerolu, co umożliwia zachowanie wysokiej przeżywalności komórek.
W zamrożonej już komórce nie powstają uszkodzenia, jednak procesy zamarzania i rozmnażania są bardzo dla niej bardzo obciążające. Właśnie w ich trakcie powstają ewentualne uszkodzenia. Woda otaczająca komórki zamarza przed jej zawartością. Wynika to z faktu, że cytoplazma jest znacznie bardziej skoncentrowana niż pożywka. Gdy komórka otoczona jest lodem zaczyna stopniowo tracić wodę przez półprzepuszczalną błonę. Jej zbyt wielka utrata również może spowodować uszkodzenia. Odpowiednie tempo chłodzenia jak i rozmnażania pozwala na zminimalizowanie liczby uszkodzonych mikroorganizmów.
Żaden organizm nie został nigdy doprowadzony do temperatury zera absolutnego. Zero bezwzględne nie zostało nigdy fizycznie osiągnięte i prawdopodobnie nigdy nie zostanie. Trudno więc rozważać, czy jakikolwiek mikroorganizm mógłby z niej „wrócić do życia”. Mimo to zarówno bakterie jak i drożdże są bardzo często doprowadzane do niezwykle niskich temperatur, jak w przypadku zamrażania ciekłym azotem. Ich procesy życiowe zostają całkowicie zatrzymane, a mimo to przy powrocie do optymalnych temperatur są w stanie normalnie funkcjonować i wrócić do życia. Życia, które nie zostało stracone, a tylko zatrzymane w czasie.
Bibliografia:
1. Fre´de´ric Dumont, Pierre-Andre´ Marechal, and P. G. Cell Size and Water Permeability as Determining Factors for Cell Viability after Freezing at Different Cooling Rates. 70, 3–6 (2004).
2. Sinkiewicz, I. & Synowiecki, J. Charakterystyka bakterii rodzaju Thermus i ich przydatność w biotechnologii. Biotechnologia 3, 148–162 (2009).
Artykuł powstał w ramach programu MNiSW „Mistrzowie dydaktyki” w czasie zajęć tutoringowych we współpracy między p. Krystyną Gruszką, studentką II roku biotechnologii i dr. Sławomirem Sułowiczem na Wydziale Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.
Projekt jest współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego.
