El pulpo antártico tiene en su sistema nervioso adaptaciones al frío

pulpo antártico Parledone cornuta

Ha alterado una enzima esencial para el funcionamiento de su sistema nervioso en el frío

Cargadas de sal disuelta, las aguas antárticas pueden flotar justo por encima del punto de congelación e incluso sumergirse por debajo de él. Temperaturas tan bajas probablemente matarían a los animales que prosperan más al norte en aguas más cálidas. Sin embargo, algunas criaturas han encontrado formas de vivir en este inhóspito frío.

En un nuevo estudio, investigadores del Laboratorio de Biología Marina (MBL) y sus colaboradores se centraron en cómo la vida en un hábitat tan frío ha alterado una enzima esencial para el funcionamiento del sistema nervioso en un animal, un pulpo que vive en el Océano Austral circumpolar (Parledone cornuta). Su trabajo explora una de las múltiples formas en que los seres vivos se han adaptado a ambientes extremos.

"Observamos con gran detalle una enzima muy importante para el sistema nervioso, la bomba de sodio-potasio, y nos preguntamos: '¿Dónde vemos la mayoría de estos sitios de adaptación?'", dice Joshua Rosenthal, científico senior del MBL.

El desafío de vivir en el frío

La temperatura es importante para la vida, en parte porque, para funcionar, las enzimas que inician todo tipo de reacciones bioquímicas dentro del cuerpo necesitan energía térmica, que se manifiesta como calor. A medida que las temperaturas caen en picado, la actividad de las enzimas se ralentiza y finalmente se detiene.

Si bien algunos animales, incluidos los humanos, pueden calentar sus propios cuerpos, los pulpos carecen de esa capacidad. Sin embargo, estas criaturas de ocho brazos han encontrado una manera de habitar las aguas antárticas donde el frío reduce 30 veces la velocidad de sus reacciones enzimáticas.

El sistema nervioso es especialmente vulnerable porque enviar y recibir señales eléctricas requiere muchas reacciones cuidadosamente coordinadas. "Cuando los frenas a todas hasta tal punto, surge una gran pregunta: ¿Cómo se adaptan?", dice Rosenthal.

Los científicos ya han estudiado la adaptación al frío en muchas proteínas, pero han pasado por alto en gran medida las que están incrustadas en la membrana similar a la piel que rodea las células. Las proteínas de membrana realizan numerosas funciones, incluido el movimiento de iones dentro y fuera de las células. La proteína en el centro de la nueva investigación, la Na+/K+-ATPasa, elimina los iones de sodio de las células, al tiempo que aporta potasio, creando una diferencia en el potencial eléctrico que las neuronas utilizan como fuente de energía para comunicarse.

pingüinos en el Océano Austral

Imagen: Los pingüinos, que a diferencia de los pulpos son de sangre caliente, nadan en el Océano Austral. Crédito: Jason Orfanon/MBL Programa de Periodismo Científico Logan

Encontrar los cambios que más importan

En investigaciones anteriores, el equipo, que incluye a Rosenthal y Miguel Holmgren, biofísico de proteínas de membrana en el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares de EE. UU. e investigador de verano de Whitman en el MBL desde hace mucho tiempo, descubrieron que el frío ralentiza las bombas de sodio-potasio de un pulpo antárticopulpo antártico, un miembro del género Pareledone, mucho menos que los pulpos de dos manchaspulpos de dos manchas (Octopus bimaculatus) que viven en aguas templadas, como frente a la costa de California.

Para precisar las diferencias entre las bombas, el equipo observó los componentes básicos, conocidos como aminoácidos, que las componen. Si bien las dos son en gran medida idénticos, encontraron algunos lugares donde diferían los aminoácidos. Para determinar cuáles de estos cambios fueron más influyentes, los intercambiaron entre bombas y probaron los efectos.

Primero, diseñaron la bomba templada para que contuviera los aminoácidos exclusivamente antárticos para ver cuáles conferían tolerancia al frío, y luego eliminaron esos cambios antárticos para devolver la bomba a su estado templado y vulnerable al frío. De esta manera, redujeron las diferencias más importantes a tres que, en conjunto, permitieron que la bomba funcionara rápidamente en temperaturas cercanas al punto de congelación.

Uno de ellos, llamado L314V, tuvo el mayor efecto. Cambiar este aminoácido de la leucina de la bomba antártica por una templada podría erradicar la recién descubierta tolerancia al frío.

pulpo de dos manchas de California

Imagen: Un pulpo de dos manchas de California (O. bimaculoides), un pariente cercano del pulpo de aguas templadas utilizado en este estudio de adaptación a la temperatura. Crédito: Tom Kleindinst

¿Un tema para adaptaciones al frío?

Cuando mapearon la posición de L314V y los otros dos cambios dentro de la estructura de la bomba, los investigadores los encontraron situados en el borde, frente a la membrana grasosa. En el caso de L314V, los investigadores creen que cambiar este aminoácido altera la forma en que esta parte de la bomba se mueve contra la membrana, posiblemente al reducir la resistencia para que la bomba pueda funcionar más rápidamente.

"Para nosotros tiene sentido" que la interfaz entre la proteína y la membrana sea un lugar para tales adaptaciones, afirma Holmgren. "Una vez que hayamos estudiado más proteínas de membrana, creo que veremos más ejemplos de esto".

El estudio se ha publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences: Molecular determinants for cold adaptation in an Antarctic Na+/K+-ATPase

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